汽車(chē)和工業(yè)應用中常常遇到持續時(shí)間從幾微秒到數百毫秒的高壓電源尖峰。這些系統中的電子產(chǎn)品不僅必須耐受瞬態(tài)電壓尖峰而不被損壞，而且在很多情況下還必須在出現電壓尖峰時(shí)自始至終可靠工作。在電源通過(guò)長(cháng)導線(xiàn)分配的系統中，負載步進(jìn) (即負載電流突然變化) 會(huì )引起嚴重的瞬態(tài)。尤其引人注意的是負的負載步進(jìn)，這時(shí)負載電流從較大的值降低為較小的值。負的 dl/dt 引起導線(xiàn)寄生電感，產(chǎn)生正向高壓尖峰，這可能引起由同一條導線(xiàn)供電的周?chē)骷畵p壞�？焖儇撦d切換 (如繼電器、開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、固態(tài)負載切換等) 會(huì )產(chǎn)生尤其高的 dl/dt 值。電源和負載之間的連接受到損害可能導致電流突然中斷，從而產(chǎn)生大的 dl/dt 值。最能說(shuō)明問(wèn)題的一個(gè)例子是汽車(chē)拋負載，在這種情況下，震動(dòng)和終端受損造成與電池的連接突然斷開(kāi)。
拋負載可能引起電壓浪涌，且該浪涌可能持續數百毫秒時(shí)間。根據汽車(chē)工程師學(xué)會(huì ) (Society of Automotive Engineers) 的數據，這種瞬態(tài)電壓的幅度可能高達 125V。典型的拋負載曲線(xiàn)如圖 1 所示，其具有 5ms 的上升時(shí)間，并呈指數性衰減 (具有一個(gè) 200ms 的時(shí)間常數)。在工業(yè)系統中，由于螺線(xiàn)管及電機中的再生制動(dòng)會(huì )引發(fā)相似的事件。
圖 1：典型拋負載曲線(xiàn)
業(yè)界強烈需要用于抑制浪涌、尖峰和瞬變的方法，從而使得關(guān)鍵性的電子子系統不僅可以安然承受，而且還能在此類(lèi)過(guò)程中繼續運作。持續時(shí)間很短的過(guò)程 (例如：尖峰和瞬變) 可以容易地利用基于電感器的濾波器和大的旁路電容器來(lái)抑制。而持續時(shí)間較長(cháng)的浪涌抑制起來(lái)則不那么容易，其需要依賴(lài)于高功率分路箝位器和有損耗的串聯(lián)限流電阻。
目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種隔離任何類(lèi)型浪涌、尖峰和瞬態(tài)的新方法。LT4356浪涌抑制器用一個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 實(shí)現了串聯(lián)-通路穩壓器。在通常情況下，LT4356 驅動(dòng) MOSFET，使其完全接通，這樣輸入功率直接通過(guò)來(lái)到負載電路，只有一點(diǎn)損耗。如果輸入電壓上升到高于某個(gè)值，那么 LT4356 開(kāi)始將輸出調節到一個(gè)安全值。MOSFET 作為跟隨器限制峰值饋通，調節響應時(shí)間由 MOSFET 柵極上的補償電容器控制。
LT4356 無(wú)需笨重的濾波組件，同時(shí)隔離低壓電路使其免受損壞。最重要的是，LT4356 調節輸出時(shí)無(wú)需在其下游使用高壓額定值組件。相反，可以使用較低成本的低壓組件，LT4356 可以隔離高壓使其不能到達這些低壓組件。
圖 2 顯示了 LT4356 對拋負載的響應。輸入突然上升到 80V，但是輸出被調節到一個(gè)安全值。浪涌消散后，LT4356 返回空閑狀態(tài)，將 MOSFET 過(guò)驅動(dòng)至低損耗工作狀態(tài)。
圖 2：LT4356 對拋負載的響應
電路工作原理
圖 3 所示為 LT4356 的方框圖。除了電壓調節環(huán)路之外，其他重要的特點(diǎn)包括過(guò)流保護和反向輸入保護，以及一種可將電源電流減小至大約 5μA 的微功率停機狀態(tài)。另外還有一個(gè)空余的增益級，其可用作一個(gè)高精度比較器或者放大器以提供輔助功能。浪涌電流限制是 GATE 引腳旁路電容器和 LT4356 之受控 GATE 電流的一個(gè)額外的好處。當存在持續的輸入過(guò)壓或電流過(guò)載時(shí)，一個(gè)故障輸出可向負載電路發(fā)出 “操作時(shí)間有限” 的預警。
圖 3：LT4356 方框圖
調節電壓由連接至 FB 引腳的兩個(gè)電阻器之阻值比來(lái)確定；常見(jiàn)的選擇是將調節點(diǎn)設定為比最大 DC 工作電壓高 5%~10%，或者，也可以將之設定在一個(gè)比下游組件的額定電壓略低的限值。過(guò)流限制由一個(gè)低值檢測電阻和 LT4356 的內部 50mV 電流檢測放大器來(lái)設定。
在漫長(cháng)的浪涌過(guò)程中持續運作的代價(jià)是在外部 MOSFET 中產(chǎn)生大量的功率耗散。為了使 MOSFET 在其能力范圍之內工作，LT4356 將在電路處于電壓或電流限制狀態(tài)時(shí)啟用一個(gè)定時(shí)器，并在發(fā)生任何損壞之前關(guān)斷 MOSFET。時(shí)間間隔由 Vds 和 Id 來(lái)調整，旨在更好地 (相比于采用固定定時(shí)器) 利用安全工作區。這兩項參數均由 LT4356 負責監察。當首次加電或者當通過(guò)允許 SHDN# 將其自身拉至高電平來(lái)啟動(dòng) LT4356 時(shí)，通過(guò)緩慢地把柵極驅動(dòng)至高電平而以一種漸進(jìn)的方式接通外部 MOSFET。這種軟起動(dòng)提供了浪涌電流限制作用，可最大限度地遏制動(dòng)態(tài)負載對于輸入電源的影響，并減輕任何下游熔斷器中的熱疲勞。一旦 MOSFET 完全導通，使能引腳 EN 將變至高電平以啟動(dòng)負載電路，例如：一個(gè)微處理器或開(kāi)關(guān)穩壓器。
在過(guò)流或過(guò)壓情況下，電流放大器 (IA) 和電壓放大器 (IV) 被調用至運行狀態(tài)，從而對輸出電流或電壓進(jìn)行適當的限制。當發(fā)生過(guò)壓時(shí)，負載電路繼續運作，電源電壓僅略有增加，如圖 2 所示。在電流過(guò)載情況下，假如可提供足夠的輸出電壓，則負載電路可以繼續操作。無(wú)論何種原因導致輸出限制功能起作用，定時(shí)器電容器電壓都將斜坡上升。如果這種狀況持續時(shí)間足夠長(cháng)以至定時(shí)器引腳 (TMR) 達到其第一個(gè)電壓門(mén)限 (1.25V)，則 FAULT# 引腳變至低電平以向下游電路發(fā)出 “即將失去電源” 的預警。當 TMR 引腳電壓達到 1.35V (第二個(gè)故障門(mén)限) 時(shí)，定時(shí)器將關(guān)斷 MOSFET 并在等待一個(gè)冷卻間隔之后嘗試重啟。
LT4356 的另一個(gè)特點(diǎn)是具有空余的放大器 (AMP)，其可用作一個(gè)電源良好比較器、輸入電壓監視器或低壓差線(xiàn)性穩壓器。對于 LT4356-1 版本，把 SHDN# 引腳拉至低電平將導致所有功能電路全部關(guān)斷。電源電流減小至 5μA，因而可在那些將設備永久性地置于和電池電源相連之狀態(tài)的應用中使用。對于 LT4356-2 版本，輔助放大器和內部基準在停機期間保持運行狀態(tài)，停機電流為 50μA。LT4356 適用于那些要求在主系統被關(guān)斷的情況下為至關(guān)重要的功能電路提供一個(gè)�；铍娫措妷旱膽�，其采取的方式是將輔助放大器配置為一個(gè)低壓差線(xiàn)性穩壓器。
在圖 4 所示的電路中，一個(gè)位于反饋 (FB) 引腳上的外部阻性分壓器被設定為在過(guò)壓過(guò)程中將輸出電壓限制在 16V。倘若輸入上升至高于 16V，則輸出將調節在該電平上，直到故障狀況被清除或定時(shí)器超時(shí)為止 (在預定的超時(shí)狀態(tài)之后達到 1.35V)�？沼喾糯笃鞅慌渲脼楸O視輸入電壓并通過(guò) AOUT 引腳指示欠壓。使能 (EN) 引腳在 MOSFET 完全導通之后啟動(dòng)下游負載。
圖 4：一個(gè)位于反饋 (FB) 引腳上的外部阻性分壓器被設定為在過(guò)壓過(guò)程中將輸出電壓限制在 16V。
LT4356 具有一個(gè)寬輸入范圍，從 4V 的最小工作電壓至 100V 的絕對最大值。因此，其可在那些輸入電壓有可能于標稱(chēng)值的低端出現下降和在標稱(chēng)值的高端出現飆升的系統中運作。由于 MOSFET 一般被驅動(dòng)至其低電阻狀態(tài)，所以通過(guò)在輸入電源和負載電路之間引入 LT4356 將在低輸入電壓下?tīng)奚鼧O少的工作裕量。
反向輸入保護
在安裝一個(gè)由遠程電源供電的產(chǎn)品時(shí)，發(fā)生輸入極性接反的可能性尤其突出。如果產(chǎn)品設計未考慮反向電壓的處理，那么在連接電源線(xiàn)時(shí)的一時(shí)疏忽就有可能導致代價(jià)高昂的錯誤。電源極性接反將對極化電容器、箝位二極管和其他固態(tài)器件造成巨大的損害。LT4356 專(zhuān)為在其輸入端上耐受高達 -30V 的反向電壓而設計，而且它能驅動(dòng)第二個(gè)反向隔離 MOSFET 以阻止反向電壓傳遞到負載 (見(jiàn)圖 5)。當然，該電路的重要優(yōu)勢是保護負載免遭毀壞，但相比于明顯的解決方案 (采用一個(gè)串聯(lián)隔離二極管)，其改善在正常操作期間是很顯著(zhù)的：隔離二極管的損耗 (功率和電壓) 被完全消除。
圖 5：LT4356 專(zhuān)為在其輸入端上耐受高達 -30V 的反向電壓而設計，而且它能驅動(dòng)第二個(gè)反向隔離 MOSFET 以阻止反向電壓傳遞到負載。
結論
雖然工業(yè)系統中的電子設備越來(lái)越多且日益精細復雜，然而電源則依然會(huì )受到尖峰和浪涌的損害。必須為敏感的設備提供針對此類(lèi)瞬變的保護功能，否則就有可能在現場(chǎng)遭遇代價(jià)昂貴的故障。此外，隨著(zhù)汽車(chē)電子產(chǎn)品復雜程度的攀升，濾波、箝位和噪聲抑制等傳統方法的可用空間逐漸減少。如果不采取一種不同的方法來(lái)解決與汽車(chē)電子產(chǎn)品不斷增加相關(guān)的問(wèn)題，那么我們今天所面對的可靠性問(wèn)題注定將會(huì )變得更糟。這不僅僅是一項客戶(hù)滿(mǎn)意的問(wèn)題，而且還在逐步成為一項安全性問(wèn)題。如果只是一個(gè)顯示器背光燈熄滅，那只是有些不方便，但假若是鍋爐壓力監視器發(fā)生故障，那可就是一個(gè)重大的問(wèn)題了。
LT4356 浪涌抑制器為電子控制系統提供了堅固的前端保護。其可在壓縮必要電路板空間的同時(shí)削減因采用隔離二極管和濾波電感器所引起的熱耗散及電壓損耗。較高的效率和較寬的可用電壓范圍允許將更多的功能整合到空間受限的產(chǎn)品中。 |
