電子系統(tǒng)的浪涌管理和系統(tǒng)保護

作者：John Cummings 德州儀器

今天，防止電子產品出現(xiàn)電路故障以及管理上電浪涌電流的方法都得到了長足發(fā)展，簡單的保險絲以及不確定 P 通道 FET 演變成了高級程度大大提升的解決方案。這些高度集成的解決方案不僅可管理進入系統(tǒng)的浪涌電流，而且還可使導通元件（通常是 FET）處于安全工作范圍 (SOA) 內，由此為系統(tǒng)診斷提供了更優(yōu)異的控制及故障遙測技術。本文將針對增強型系統(tǒng)保護解決方案和幾個重要關注點展開討論。

簡單的系統(tǒng)保護

最簡單的電子電路保護形式是具有恰當額定值的保險絲。為應用開發(fā)適當解決方案時，有各種保險絲可供選擇，包括但不僅限于快熔斷、慢熔斷、多狀態(tài)以及智能保險絲等。保險絲之所以種類繁多，是因為每一款都有其自身問題。

快熔斷保險絲的特點正如其名，熔斷速度快，這意味著故障跳變的可能性很高，會導致產品召回。因此，如果要選擇這種保險絲，應當對其進行優(yōu)于 50% 的調降，也就是說 5A 的電軌應選擇額定值超過 10A 的保險絲，以避免應用中出現(xiàn)假故障。

慢熔斷保險絲斷開所需時間較長，但仍會出現(xiàn)故障跳變。因此這里也建議執(zhí)行至少 50% 的調降。

多狀態(tài)保險絲有一個非常好的特性，即錯誤清除后能夠以極低的成本進行高效恢復。每次跳變后，后續(xù)跳變點閥值就會降低，也就是說更容易發(fā)生跳變。因此，誤跳變幾率會隨時間的推移而升高。

智能保險絲或三端保險絲是既可通過指令熔斷，也可因過流而熔斷的器件。通常，這種保險絲不但成本比以上方案高很多，而且還需要電源電壓保持在一定的高度，才能真正熔斷保險絲。否則，在出現(xiàn)故障時所有部件都會變得很熱，而且可能不會引起安全關斷。

所有這四種方案都具有會導致故障跳變的兩大主要問題。首先，它們無法限制上電時或掉電后進入系統(tǒng)的浪涌電流。其次，由于它們都需要調降，因此可能會允許充足的電流通過系統(tǒng)故障部位，使故障電路進一步發(fā)熱，導致更嚴重的故障。例如，一個額定5A 的 12V 系統(tǒng)可能會試圖使用 10A 甚至更高額定值的保險絲。在短路且電源工作良好的情況下，這可能會為故障電路輸入高達 120W 的功率。

浪涌管理

大部分故障跳變都是由浪涌電流導致的。最大限度降低浪涌電流的低成本方法可能是采用一個 P 通道 FET 和幾個電阻器電容器實施（圖1）。

圖1. 簡單的浪涌管理解決方案

當然，該電路在開始工作時，就會出現(xiàn)輸入電壓。因此通常要等到檢測到輸入電源良好的信號后才能啟動電路。圖2給出了一種可行的實施方案，即采用一個視窗壓縮器 (compactor) 來確保 12V AC 適配器電壓處于 10.8 與 13.2V 之間。只要TPS3700等寬泛電源電壓視窗壓縮器能看到適配器處于有效電壓視窗范圍內，就可啟用通過 Q1 的電源路徑。

圖2. 將TPS3700用作 AC 適配器檢測器

這可能適用于一部分設計，但這些方案也有幾個固有的問題：

1. 取決于負載電容的大小，這兩種方案都可能會超出 FET 的安全工作范圍 (SOA)；
2. 一旦啟用就無法限制進入負載的電流；
3. 如果負載短路，F(xiàn)ET 很可能啟動失敗。這種情況可能發(fā)生在保險絲之前，因此最好的緩解方法是使用額定值遠遠高于應用所需功率耗散的 FET，因此，這也是一個更高成本的解決方案。

肯定有更好的方法能夠在啟動或出現(xiàn)系統(tǒng)級故障時有效保護系統(tǒng)。