作者：Frederik Dostal，電源管理專家

摘要

在工業(yè)電子設(shè)備中，過壓保護(hù)是確保設(shè)備可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。本文將探討如何使用開關(guān)浪涌抑制器替代傳統(tǒng)的線性浪涌抑制器，以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的過壓情況。與傳統(tǒng)線性浪涌抑制器不同，開關(guān)浪涌抑制器能夠在持續(xù)浪涌的情況下保持負(fù)載正常運(yùn)行，而傳統(tǒng)線性浪涌抑制器則需要在電源路徑中的MOSFET散熱超過其處理能力時(shí)切斷電流。

可靠的工業(yè)電子設(shè)備通常配備保護(hù)電路，以防止電源線路出現(xiàn)過壓，從而保護(hù)電子設(shè)備免受損壞。過壓現(xiàn)象可能在電源線路負(fù)載快速變化時(shí)發(fā)生，線路中的寄生電感可能導(dǎo)致高電壓尖峰。這個(gè)問題可通過輸入保護(hù)電路來解決，比如圖1所示的采用ADI LTC4380的保護(hù)電路。在該電路中，功率開關(guān)M1位于電流傳導(dǎo)路徑上。當(dāng)VIN時(shí)發(fā)生過壓時(shí)，開關(guān)M1將在線性區(qū)域內(nèi)工作，使其表現(xiàn)為歐姆區(qū)域的電阻，從而通過MOSFET M1上的壓降來調(diào)節(jié)VOUT。這一機(jī)制可有效防止輸出電壓升高至過高水平，從而保護(hù)下游電子設(shè)備。然而，這種保護(hù)方法的有效時(shí)間是有限的，持續(xù)時(shí)間由開關(guān)M1的許可安全工作區(qū)(SOA)決定。如果功率MOSFET上的壓降一直很高且持續(xù)時(shí)間超過了限制，MOSFET的溫度將超過其最高溫度閾值，可能導(dǎo)致器件損壞。LTC4380等集成電路內(nèi)置了定時(shí)器，以防止過壓情況的發(fā)生。定時(shí)器中設(shè)定了MOSFET在過壓條件下在線性區(qū)域工作的時(shí)長(zhǎng)，通常為數(shù)毫秒或數(shù)微秒。一旦設(shè)定時(shí)間結(jié)束，開關(guān)M1將完全斷開，從而保護(hù)開關(guān)本身，但這也意味著系統(tǒng)的電源將被切斷。

圖1.采用線性浪涌保護(hù)器IC進(jìn)行過壓保護(hù)（簡(jiǎn)化電路）。

為了確保工業(yè)電子設(shè)備在任何情況下都能可靠運(yùn)行并獲得不間斷電源，選擇能夠長(zhǎng)時(shí)間耐受過壓的解決方案至關(guān)重要。這包括考慮故障情形，例如電源線路連接錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致過壓。通過選擇能夠應(yīng)對(duì)這些情況的解決方案，電路可以可靠運(yùn)行并避免電源電壓中斷。此類解決方案可通過圖2所示的開關(guān)浪涌保護(hù)器來實(shí)現(xiàn)。

圖2.無過壓時(shí)間限制的開關(guān)過壓保護(hù)電路（簡(jiǎn)化電路）。

在圖2所示的電路中，除了浪涌保護(hù)器IC，還使用了電感和外部肖特基二極管。降壓開關(guān)穩(wěn)壓器作為保護(hù)電路運(yùn)行。然而，僅當(dāng)輸入電壓超過設(shè)置的最大值時(shí)，該開關(guān)穩(wěn)壓器才會(huì)開始工作。此時(shí)間段內(nèi)的工作通常不需要特別注重能效。簡(jiǎn)單的肖特基二極管可用作反激二極管。

圖3.輸入電壓和輸出電壓對(duì)過壓的響應(yīng)（上圖），以及高頻范圍內(nèi)開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的開關(guān)電壓（下圖）。

在圖3中，藍(lán)色顯示輸入電壓響應(yīng)。正常輸入電壓為16 V。大約2 ms時(shí)，過壓達(dá)到40 V。紅色顯示輸出電壓隨時(shí)間的變化。在VIN過壓持續(xù)期間，開關(guān)DC-DC穩(wěn)壓器激活，將輸出電壓調(diào)節(jié)到16 V。綠色顯示區(qū)域?yàn)殚_關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓（在MOSFET、肖特基二極管和電感之間的節(jié)點(diǎn)處）。

因此，如圖1所示，過壓保護(hù)電路可以采用線性設(shè)計(jì)，或者采用特殊的開關(guān)（降壓）DC-DC穩(wěn)壓器，比如圖2中的LTC7860。簡(jiǎn)單的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器不適合此應(yīng)用，因?yàn)樵谶@種情況下，N溝道MOSFET無法持續(xù)導(dǎo)通。

過壓保護(hù)電路包括線性浪涌保護(hù)器和開關(guān)浪涌保護(hù)器IC。有了開關(guān)浪涌保護(hù)器，即使遭遇長(zhǎng)時(shí)間過壓，電路也能持續(xù)工作。這意味著即使過壓持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，被供電電路仍持續(xù)受到保護(hù)并正常工作。

結(jié)論

越來越多的工業(yè)和儀表應(yīng)用要求使用精密轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)各種工藝的精確控制與測(cè)量。此外，這些最終應(yīng)用還要求更高的靈活性、可靠性和功能集，同時(shí)降低成本和電路板面積。元件制造商正在解決這些難題，并推出了一系列產(chǎn)品來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)當(dāng)前與未來設(shè)計(jì)的要求。如本文所述，有多種途徑可選擇合適的元件用于精密應(yīng)用，每一種都各有優(yōu)缺點(diǎn)。隨著系統(tǒng)精度的提高，人們需要更加注重合適元件的選擇，以滿足應(yīng)用要求。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問www.analog.com/cn。

作者簡(jiǎn)介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的電源管理專家。他曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，幫助客戶在項(xiàng)目中實(shí)施電源管理解決方案，進(jìn)而積累了不少經(jīng)驗(yàn)。在此期間，他還在美國(guó)亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔(dān)任應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)開關(guān)模式電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個(gè)產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識(shí)，目前擔(dān)任電源管理專家。Frederik在ADI的德國(guó)慕尼黑分公司工作。