引言
在過(guò)大的電壓或電流被加至集成電路所產(chǎn)生的電過(guò)應力 (EOS) 是誘發(fā) IC 故障的主要起因之一,而且還會(huì )導致所謂 “帶傷運行” 產(chǎn)品的出現,此類(lèi)產(chǎn)品雖能繼續工作,但構成了一種可靠性危險,并有可能引起過(guò)早的系統故障。
EOS 事件會(huì )引起局部發(fā)熱效應并造成芯片級敷金屬或結點(diǎn)受損,但一開(kāi)始或許并不存在明顯的缺陷。隨著(zhù)時(shí)間的推移以及溫度和電壓偏置的加速作用,此類(lèi)損壞將改變性能特征,并有可能造成電遷移、熱點(diǎn)和熱失控,從而導致全面的 IC 故障。
長(cháng)久以來(lái)人們就認識到了這類(lèi)風(fēng)險,因此負責保證設備安全性、可靠性和性能的機構及標準化組織已經(jīng)制定了多種規范,以針對各種潛在的壓力過(guò)大問(wèn)題保護電子電路。
這類(lèi)風(fēng)險之一與上游電源干擾有關(guān),本文中我們集中探討美國國防部接口標準 MIL-STD-1275,該標準與 28V DC 軍用車(chē)輛電源有關(guān),還有其他一些類(lèi)似的國家級規范,例如英國的 DEFSTAN 61-5 Part 6。飛機有自己的標準,例如,DO-160 面向民用飛機,MIL-STD-704 面向軍用飛機。雖然特定的脈沖特性發(fā)生了變化,但它們在概念上都是非常相似的,因此適用于同樣的原理。
盡管芯片內置的 ESD 保護功能可以在某種程度上針對電源干擾引起的 EOS 事件提供保護,但是這類(lèi)事件也許根本就不是異常情況,而是系統典型工作的一部分,這也許表示,會(huì )有反反復復超出 IC 最大絕對額定值的事件發(fā)生。
針對電壓浪涌、尖峰和紋波提供保護
電壓尖峰的特點(diǎn)是持續數十微妙及高達幾百伏的電壓,由雷擊或負載階躍的感應耦合產(chǎn)生。目前應用的解決方案是有效的,這種解決方案通常采用瞬態(tài)電壓抑制器,輔以所需的 EMI 濾波電路和電源電纜電感。
電壓浪涌一般高達 100V,持續數十或數百毫秒,由拋載引起。當負載電路或電池斷接導致交流發(fā)電機兩端的電壓在短時(shí)間內快速上升,并因此導致使用同一電源的其他負載遇到同一電壓浪涌。正如我們稍后會(huì )看到的那樣,這可能是一個(gè)富挑戰性及難以解決的問(wèn)題。
疊加在輸入電源之穩態(tài)電壓軌上的電壓紋波會(huì )造成進(jìn)一步的設計挑戰。適度振幅的紋波可由輸入電容器濾波至保護電路,但是在較大紋波和較大電流情況下,通過(guò)保護電路將紋波傳送到下游穩壓級的做法會(huì )更實(shí)用且效率更高。
過(guò)壓保護電路
傳統的無(wú)源過(guò)壓保護電路 (圖 1) 需要相對較大和笨重的組件,這樣的組件引入插入損耗,可能因功率需求增加而成為一個(gè)問(wèn)題。將很大的能量分流到地這種做法不能確保向下游供電,且可能由于重復操作而導致無(wú)源組件損壞。

圖 1:無(wú)源過(guò)壓保護電路
一種較好的解決方案是采用線(xiàn)性浪涌抑制器 IC,這可提供更佳性能、過(guò)流保護和更多功能,同時(shí)減少了所需電路板面積。一個(gè)例子是 LT4363 高壓浪涌抑制器 (圖 2)。我們之所以稱(chēng)這款 IC 是一種線(xiàn)性浪涌抑制器,是因為其操作與線(xiàn)性穩壓器類(lèi)似。

圖 2:具電流限制的 LT4363 浪涌抑制器
在正常操作情況下,一個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 被驅動(dòng)至全通,并充當一個(gè)具非常小電壓降的傳輸器件。如果輸出電壓上升至高于由 FB 引腳上的電阻分壓器設定的穩壓值,MOSFET 就調節 OUT 引腳上的電壓,從而使負載電路能夠在瞬態(tài)事件發(fā)生期間繼續運行。
SNS 和 OUT 引腳之間的可選電阻器用來(lái)控制過(guò)流事件,電流限制環(huán)路控制 MOSFET 上的柵極電壓,以將電阻器兩端的檢測電壓限制到 50mV。
無(wú)論過(guò)壓還是過(guò)流事件都會(huì )啟動(dòng)一個(gè)電流源給連至 TMR 引腳的電容器充電。充電電流與輸入至輸出電壓差有關(guān),以使定時(shí)器周期隨著(zhù)日益嚴重的故障而縮短,從而確保 MOSFET 保持在其安全工作區之內。
開(kāi)關(guān)浪涌抑制器
線(xiàn)性浪涌抑制器為需要高達約 4A 電流的系統提供了一種非常出色的解決方案,當超出這個(gè)電流范圍時(shí),該電路有效穿越長(cháng)時(shí)間浪涌的能力會(huì )受到 MOSFET 安全工作區的限制。對于較大的電流,通過(guò)采用專(zhuān)用的開(kāi)關(guān)穩壓器技術(shù)如今可提供一種更有效的解決方案,在該技術(shù)中,限制主要變成了系統熱質(zhì)量和相關(guān)的最大結溫考慮因素之一。

圖 3:LTC7860 高效率開(kāi)關(guān)浪涌抑制器
LTC7860 專(zhuān)為用作一款高效率開(kāi)關(guān)浪涌抑制器和 / 或輸入浪涌電流限制器而設計。在正常操作期間,LTC7860 處于壓差或 SWITCH-ON 模式,并持續驅動(dòng)外部 MOSFET,從而將輸入電壓傳遞至輸出。
LTC7860 在啟動(dòng)或響應輸入過(guò)壓或輸出短路事件時(shí)切換進(jìn)入 PROTECTIVE PWM (保護性PWM) 模式,輸出電壓調節至安全值,從而使負載能夠在發(fā)生輸入過(guò)壓事件時(shí)繼續正常運作。外部比較器限制電流檢測電阻器兩端的電壓,調節最大輸出電流,以針對過(guò)流故障提供保護。
可調定時(shí)器限制 LTC7860 可用于過(guò)壓或過(guò)流調節的時(shí)間。當定時(shí)器到期時(shí),外部 MOSFET 斷開(kāi),直到 LTC7860 經(jīng)過(guò)冷卻期后重啟為止。通過(guò)在功率損耗很高時(shí)嚴格限制處于 PROTECTIVE PWM 模式的時(shí)間,可以針對正常工作情況優(yōu)化組件和熱量設計,使組件和設計方案能夠在發(fā)生高壓輸入浪涌和 / 或過(guò)流故障時(shí)安全地工作。還可以增加一個(gè) PMOS 以提供電池反向保護。
通過(guò)給 LTC7860 的電源偏置增加一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)穩壓器,就可以將 60V 最大 VIN 至 SGND 范圍擴大到超過(guò) 200V。
效率比較
就上述 LT4363 這類(lèi)線(xiàn)性浪涌抑制器和 LTC7860 開(kāi)關(guān)浪涌抑制器而言,一旦開(kāi)始調節,功率損耗就會(huì )顯著(zhù)上升。在線(xiàn)性浪涌抑制器中,功率損耗是起調節作用的 MOSFET 之功耗。而在高效率浪涌抑制器或開(kāi)關(guān)浪涌抑制器中,內部功率損耗由轉換效率決定。
線(xiàn)性浪涌抑制器功率損耗 = VOUT * IOUT * (VIN/VOUT -1)
開(kāi)關(guān)浪涌抑制器功率損耗 = VOUT * IOUT * (1/ 效率 - 1)
瞬時(shí)功率損耗例子:
線(xiàn)性 = 30V * 4A * (40V / 30V -1) = 40.0W
開(kāi)關(guān) = 30V * 4A * (1/92% -1) = 10.4W
由于功率損耗降低,因此與同級別的線(xiàn)性解決方案相比,開(kāi)關(guān)浪涌抑制器將允許更高的輸出電流和功率級別。在開(kāi)關(guān)浪涌抑制器中,內部浪涌功率損耗會(huì )比正常功率損耗增加 10 倍之多。如果停留在 PWM 模式調節中的時(shí)間受限,則運行功率會(huì )超越穩態(tài)操作中所能實(shí)現的水平。
浪涌抑制器保護的結果是,下游組件可具有較低的額定電壓,但在高 VIN 降壓型穩壓器可用時(shí),那為什么不使用其中一款而免除保護電路呢? 雖然這或許很吸引人,但是此類(lèi)降壓型穩壓器電路將需要針對最壞情況而確定的組件,并將必需采取顯著(zhù)增多的散熱措施。另外,這也許還會(huì )把上游電源置于容易遭受輸出短路故障損壞的境地。
MIL-STD-1275 要求和性能
在軍用車(chē)輛應用中,LTC7860 保護采用 28V 車(chē)輛電源總線(xiàn)工作的設備,并用評估電路板進(jìn)行了測試。
MIL-STD-1275 版本 E 定義了各種電源變化情況,從穩態(tài)工作到啟動(dòng)干擾、尖峰、浪涌和紋波,并針對每一種情況規定了要求,表 1 概述了這些情況。
表 1:MIL-STD-1275E 要求和 LTC7860 性能
MIL-STD-1275E
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要求
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LTC7860 性能 / 觀(guān)測數據
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工作電壓
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20V < VIN < 33V (包括紋波)
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3.5V > VIN > 60V
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電壓紋波
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MIL-STD-461-F CS101-1
50Hz 至 5kHz,136dBuV,(6.31Vrms)
150kHz,106.5dBuV,(211mVrms)
擴展至 250kHz
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布設針對紋波的輸入濾波器是不切實(shí)際的,在理想的情況下,把紋波傳遞至下游降壓型穩壓器,而該穩壓器的電感器起一個(gè)濾波器的作用。
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起動(dòng)干擾
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12V、1s 的初始接合浪涌
16V、30s 的發(fā)動(dòng)浪涌
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可在低至 6V (最小值) 的電壓下運作,不會(huì )出現性能下降或受損。
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注入的電壓尖峰
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250V (持續 70µs) 和 100V (持續 1ms)
最大上升時(shí)間為 50ns
最大能量含量為 2 焦耳
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一般來(lái)說(shuō) EMI 濾波器和電源電纜電感可消除窄尖峰。保護電路在有源組件上將需要 250V+ 的額定電壓值。
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注入的電壓浪涌
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100V (持續 50ms) 和 33V (持續 500ms)
上升時(shí)間 1 至 10ms,5 個(gè)脈沖
最大能量含量為 60 焦耳
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正常運作,并沒(méi)有性能劣化或受損情況出現,選擇具有高峰值脈沖電流的 MOSFET 以滿(mǎn)足大輸出負載的要求。
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凌力爾特之前開(kāi)發(fā)的演示電路 DC2150A-C 也提供線(xiàn)性浪涌抑制器解決方案,該解決方案滿(mǎn)足之前的 MIL-STD-1275 修訂版 D 規范的要求。
結論
專(zhuān)用浪涌抑制器 IC 為無(wú)源保護電路提供了卓越的性能,有助于滿(mǎn)足未來(lái)系統減小尺寸、重量和功率的要求。
線(xiàn)性模式浪涌抑制器提供了具備低插入損耗的出色解決方案,適合輸出電流高達 4A 左右的系統。開(kāi)關(guān)浪涌抑制器將輸出電流能力擴展到 4A 以上,同時(shí)解決方案尺寸很小,效率很高。 |