【導讀】汽車(chē)、工業(yè)和航空電子設備所處的供電環(huán)境非常復雜，在這種惡劣的供電環(huán)境中運行，需要具備對抗各種浪涌傷害的能力。以汽車(chē)電子系統供電應用為例，該系統不但需要滿(mǎn)足高可靠性要求，還需要應對相對不太穩定的電池電壓，具有一定挑戰性；與車(chē)輛電池連接的電子和機械系統的差異性，也可能導致標稱(chēng)12 V電源出現大幅電壓偏移。
一、復雜的電子環(huán)境
汽車(chē)、工業(yè)和航空電子設備所處的供電環(huán)境非常復雜，在這種惡劣的供電環(huán)境中運行，需要具備對抗各種浪涌傷害的能力。以汽車(chē)電子系統供電應用為例，該系統不但需要滿(mǎn)足高可靠性要求，還需要應對相對不太穩定的電池電壓，具有一定挑戰性；與車(chē)輛電池連接的電子和機械系統的差異性，也可能導致標稱(chēng)12 V電源出現大幅電壓偏移。
事實(shí)上，在一定時(shí)間段內，12 V電源的變化范圍為–14 V至+35 V，且可能出現+150 V至–220 V的電壓峰值。這種很高的瞬態(tài)電壓在汽車(chē)和工業(yè)系統是常見(jiàn)的，可以持久從微秒到幾百毫秒，這將帶來(lái)巨大的能量。這其中有些浪涌和瞬變在日常使用中出現，其他則是因為故障或人為錯誤導致。
無(wú)論起因為何，它們對汽車(chē)電子系統造成的損害難以診斷，修復成本也很高昂。為避免出現故障風(fēng)險，系統內的電子器件，要么本身必須具備承受這些浪涌的能力，要么就必須被謹慎得保護起來(lái)。
圖1 工業(yè)現場(chǎng)常見(jiàn)的浪涌形式
二、傳統的應對方式
傳統的過(guò)電壓（OV）和過(guò)流（OC）保護系統往往包括：用于過(guò)濾低能量尖峰的電容器和電感、用于過(guò)電壓保護的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）、用于直流過(guò)流保護的保險絲、用于電池反向保護的系列二極管等。
圖2 傳統保護架構
盡管這些器件也在不斷改進(jìn)，但這些分立的解決方案體積龐大、不夠精密，并且在持續故障期間會(huì )燒斷保險絲，可能引起以下這些更大范圍的停機和故障：
（1）吸收同樣的能量，分立器件需要更大的體積。
（2）參數離散，例如同樣是SMB封裝的78V TVS，其齊納擊穿電壓的范圍可達1V。
（3）持續或直流的瞬變，可能會(huì )燒斷保險絲或TVS，需要人工維修。
（4）用于反向保護而串聯(lián)在功率通路上的二極管，會(huì )增加損耗并且帶來(lái)熱的問(wèn)題。
三、ADI的革新技術(shù)——SURGE STOPPER
技術(shù)型授權代理商Excelpoint世健的工程師Alex Yang介紹了ADI的革新技術(shù)——SURGE STOPPER，SURGE STOPPER能夠實(shí)現怎樣的功能呢？
圖3 浪涌抑制器在汽車(chē)中的應用
其功能的核心，就是能夠保護負載端的電子系統免受高壓沖擊。并且在電涌施加在系統前端時(shí)，能夠確保系統不間斷運行。當系統的前端供電出現持續的或是直流故障時(shí)，能夠斷開(kāi)負載連接，直至前端供電重新正常，保護系統自動(dòng)恢復供電。另一方面，假如后級出現故障，例如過(guò)載和短路，那么SURGE STOPPER也同樣可以保護前端供電不會(huì )被故障的負載所拖垮，可以干凈利落地切斷故障通道直至其恢復正常。
在實(shí)現核心功能的基礎上，SURGE STOPPER在設計中考慮了很多細節。例如，工程師可以對嵌位電壓進(jìn)行高精度的微調，而不需要被動(dòng)地去TVS選型表中選出最接近自己需求的器件。這樣既便于工程師設計的更改和迭代，也可以最大限度地減少過(guò)度設計，降低成本。
根據市場(chǎng)需求，ADI革新性地針對浪涌問(wèn)題研發(fā)了三類(lèi)產(chǎn)品，包括：線(xiàn)性浪涌抑制器，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器，以及防護控制器。除此之外，ADI仍在不斷嘗試用新的思路解決浪涌問(wèn)題。
線(xiàn)性浪涌抑制器
在正常運行期間，一個(gè)線(xiàn)性浪涌抑制器完全打開(kāi)MOSFET的溝道，為負載電流提供一個(gè)低電阻路徑。
當輸入電源電壓出現波動(dòng)時(shí)，輸出電壓會(huì )被線(xiàn)性地調節到一個(gè)由電阻分壓器設置的安全電壓，從而實(shí)現保護后級負載電路的目的。
在保護狀態(tài)下，后級電路會(huì )保持工作狀態(tài)。
圖4 線(xiàn)性浪涌抑制器
開(kāi)關(guān)浪涌抑制器
在正常運行期間，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器完全打開(kāi)外部MOSFET，讓功率順利通過(guò)保護級，從而為后級負載供電。
當輸入電壓浪涌發(fā)生時(shí)，立刻切換工作模式，將外部MOSFET作為一個(gè)高效率的BUCK穩壓器的一部分，通過(guò)限制輸出電壓和電流來(lái)保護關(guān)鍵的下游組件。
在保護狀態(tài)下，后級電路會(huì )保持工作狀態(tài)。
圖5 開(kāi)關(guān)浪涌抑制器
保護控制器
保護控制器在供電電壓出現異常時(shí)立即斷開(kāi)連接，從而達到保護后級電路的目的。
在保護狀態(tài)下，后級電路會(huì )停止工作。
以L(fǎng)TC4368為例，它可以實(shí)現過(guò)壓（OV）、欠壓（UV）、過(guò)流（OC）、反向輸入（RI）四種保護，基本覆蓋了應用現場(chǎng)會(huì )出現的各種工況，為后級電路提供了完善的保護解決方案。
圖6 LTC4368框圖
四、產(chǎn)品舉例
Alex分享了ADI的一款線(xiàn)性浪涌抑制器LT4363。
圖7 LT4363的電路架構
LT4363簡(jiǎn)介
它能通過(guò)控制一個(gè)外部N溝道MOSFET的柵極，以在過(guò)壓過(guò)程中（比如：汽車(chē)應用中的負載突降情況）調節輸出電壓。輸出被限制在一個(gè)安全的數值上，從而允許負載持續運作。
LT4363還監視SNS和OUT引腳之間的壓降，以防止遭受過(guò)流故障的影響。
不管在哪種故障條件下，定時(shí)器的起動(dòng)均與 MOSFET 應力成反比。在定時(shí)器終止操作之前，FLT 引腳將被拉至低電平，以發(fā)出“即將斷電”的警告。如果該條件一直持續，則 MOSFET 將關(guān)斷。在復位之前，LT4363-1 保持關(guān)斷，而LT4363-2則在一個(gè)冷卻周期之后重新起動(dòng)。
兩個(gè)高精度比較器能監視輸入電源的過(guò)壓（OV）和欠壓（UV）情況。當電壓低于UV門(mén)限時(shí)，外部MOSFET保持關(guān)斷狀態(tài)。假如輸入電源電壓高于OV門(mén)限，則不允許MOSFET重新接通?？梢圆捎帽硨Ρ矼OSFET來(lái)代替肖特基二極管以提供反向輸入保護，從而減少壓降和功率損失。一個(gè)停機引腳負責將停機期間的靜態(tài)電流減小至7μA以下。
設計要點(diǎn)
過(guò)壓故障
在過(guò)壓情況發(fā)生時(shí)，LT4363會(huì )通過(guò)控制MOSFET柵極電壓，使得MOSFET工作在可 變電阻區，以保證輸出電壓采樣引腳FB上的電壓維持在1.275V。從而達到，將電壓嵌位在我們所設定的電壓上的目的。同時(shí)，如果過(guò)電壓現象持續存在，則定時(shí)器會(huì )控制MOSFET關(guān)閉。
過(guò)流故障
當出現短路或過(guò)流情況，LT4363會(huì )控制GATE引腳，以限制SNS和OUT引腳之間電流檢測電壓為50 mV。在輸出嚴重短路的情況下（一般指輸出電壓低于2V），電流檢測門(mén)限會(huì )由原來(lái)的50 mV降低至25mV，以降低MOSFET上的功率應力。如果故障仍然持續，則定時(shí)器會(huì )控制MOSFET關(guān)閉。
MOSFET的選型
LT4363通過(guò)驅動(dòng)一個(gè)N溝道MOSFET來(lái)導電負載電流。MOSFET的重要參數是導通電阻RDS（ON），漏源極電壓的最大值V（BR）DSS、柵極閾值電壓V（BR）GS以及SOA。
V（BR）DSS漏源極電壓的最大值:
V（BR）DSS漏源極電壓的最大值必須高于最高電源電壓。如果在出現輸出短路接地或在過(guò)壓事件期間，MOSFET的源漏極會(huì )承受全部供電電壓。
V（BR）GS柵極驅動(dòng)電壓：
對于VCC供電在9V以上的應用，通用型的所需的柵極驅動(dòng)電壓范圍在10V和16V之間；對于VCC供電在9V以下的應用，N溝道MOSFET的柵極驅動(dòng)電壓，不能低于4.5V。
MOSFET的SOA：
SOA（Safe Operation Area）是所有MOSFET中的一個(gè)參數，以圖標形式體現在規格書(shū)中。其中體現出相關(guān)聯(lián)的三個(gè)參數的關(guān)系：Vds、Id，以及時(shí)間T。以典型應用的中的N-MOSFET:FDB33N25為例：
圖8 場(chǎng)效應管FDB33N25 的SOA曲線(xiàn)
在選擇MOSFET的SOA時(shí)，必須考慮所有故障條件下的情況；
在正常工作中，溝道是完全開(kāi)著(zhù)的，所以損耗在MOSFET上的功率非常??；
在出現過(guò)壓或是過(guò)流故障時(shí)，GATE引腳就會(huì )開(kāi)始控制MOSFET上DS兩端所承受的電壓或是流過(guò)MOSFET的電流。此時(shí)高電壓和大電流會(huì )同時(shí)存在于MOSFET當中，因此必須謹慎地依照SOA數據來(lái)確定故障定時(shí)器的設置。
五、結語(yǔ)
LT4363只是ADI眾多浪涌抑制控制器系列中的一款，在汽車(chē)、工業(yè)等復雜供電環(huán)境中，世健提供的ADI浪涌抑制器能夠幫助產(chǎn)品抵御惡劣的供電環(huán)境，讓產(chǎn)品具備對抗各種浪涌傷害的能力，為產(chǎn)品的可靠運行保駕護航。
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