電子系統(tǒng)的浪涌管理和系統(tǒng)保護(hù)

作者：John Cummings 德州儀器

今天，防止電子產(chǎn)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(zhǎng)足發(fā)展，簡(jiǎn)單的保險(xiǎn)絲以及不確定 P 通道 FET 演變成了高級(jí)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(jìn)入系統(tǒng)的浪涌電流，而且還可使導(dǎo)通元件（通常是 FET）處于安全工作范圍 (SOA) 內(nèi)，由此為系統(tǒng)診斷提供了更優(yōu)異的控制及故障遙測(cè)技術(shù)。本文將針對(duì)增強(qiáng)型系統(tǒng)保護(hù)解決方案和幾個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)展開(kāi)討論。

簡(jiǎn)單的系統(tǒng)保護(hù)

最簡(jiǎn)單的電子電路保護(hù)形式是具有恰當(dāng)額定值的保險(xiǎn)絲。為應(yīng)用開(kāi)發(fā)適當(dāng)解決方案時(shí)，有各種保險(xiǎn)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(xiǎn)絲等。保險(xiǎn)絲之所以種類(lèi)繁多，是因?yàn)槊恳豢疃加衅渥陨韱?wèn)題。

快熔斷保險(xiǎn)絲的特點(diǎn)正如其名，熔斷速度快，這意味著故障跳變的可能性很高，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品召回。因此，如果要選擇這種保險(xiǎn)絲，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)于 50% 的調(diào)降，也就是說(shuō) 5A 的電軌應(yīng)選擇額定值超過(guò) 10A 的保險(xiǎn)絲，以避免應(yīng)用中出現(xiàn)假故障。

慢熔斷保險(xiǎn)絲斷開(kāi)所需時(shí)間較長(zhǎng)，但仍會(huì)出現(xiàn)故障跳變。因此這里也建議執(zhí)行至少 50% 的調(diào)降。

多狀態(tài)保險(xiǎn)絲有一個(gè)非常好的特性，即錯(cuò)誤清除后能夠以極低的成本進(jìn)行高效恢復(fù)。每次跳變后，后續(xù)跳變點(diǎn)閥值就會(huì)降低，也就是說(shuō)更容易發(fā)生跳變。因此，誤跳變幾率會(huì)隨時(shí)間的推移而升高。

智能保險(xiǎn)絲或三端保險(xiǎn)絲是既可通過(guò)指令熔斷，也可因過(guò)流而熔斷的器件。通常，這種保險(xiǎn)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(xiǎn)絲。否則，在出現(xiàn)故障時(shí)所有部件都會(huì)變得很熱，而且可能不會(huì)引起安全關(guān)斷。

所有這四種方案都具有會(huì)導(dǎo)致故障跳變的兩大主要問(wèn)題。首先，它們無(wú)法限制上電時(shí)或掉電后進(jìn)入系統(tǒng)的浪涌電流。其次，由于它們都需要調(diào)降，因此可能會(huì)允許充足的電流通過(guò)系統(tǒng)故障部位，使故障電路進(jìn)一步發(fā)熱，導(dǎo)致更嚴(yán)重的故障。例如，一個(gè)額定5A 的 12V 系統(tǒng)可能會(huì)試圖使用 10A 甚至更高額定值的保險(xiǎn)絲。在短路且電源工作良好的情況下，這可能會(huì)為故障電路輸入高達(dá) 120W 的功率。

浪涌管理

大部分故障跳變都是由浪涌電流導(dǎo)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(gè) P 通道 FET 和幾個(gè)電阻器電容器實(shí)施（圖1）。

圖1. 簡(jiǎn)單的浪涌管理解決方案

當(dāng)然，該電路在開(kāi)始工作時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)輸入電壓。因此通常要等到檢測(cè)到輸入電源良好的信號(hào)后才能啟動(dòng)電路。圖2給出了一種可行的實(shí)施方案，即采用一個(gè)視窗壓縮器 (compactor) 來(lái)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(nèi)，就可啟用通過(guò) Q1 的電源路徑。

圖2. 將TPS3700用作 AC 適配器檢測(cè)器

這可能適用于一部分設(shè)計(jì)，但這些方案也有幾個(gè)固有的問(wèn)題：

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

肯定有更好的方法能夠在啟動(dòng)或出現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)故障時(shí)有效保護(hù)系統(tǒng)。