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ADI浪涌抑制器——为产品的可靠运行保驾护航
发布时间:2021-12-21 阅读量:505 来源:我爱方案网 作者:我爱方案网汇编

一、复杂的电子环境


汽车、工业和航空电子设备所处的供电环境非常复杂,在这种恶劣的供电环境中运行,需要具备对抗各种浪涌伤害的能力。以汽车电子系统供电应用为例,该系统不但需要满足高可靠性要求,还需要应对相对不太稳定的电池电压,具有一定挑战性;与车辆电池连接的电子和机械系统的差异性,也可能导致标称12 V电源出现大幅电压偏移。


事实上,在一定时间段内,12 V电源的变化范围为–14 V至+35 V,且可能出现+150 V至–220 V的电压峰值。这种很高的瞬态电压在汽车和工业系统是常见的,可以持久从微秒到几百毫秒,这将带来巨大的能量。这其中有些浪涌和瞬变在日常使用中出现,其他则是因为故障或人为错误导致。


无论起因为何,它们对汽车电子系统造成的损害难以诊断,修复成本也很高昂。为避免出现故障风险,系统内的电子器件,要么本身必须具备承受这些浪涌的能力,要么就必须被谨慎得保护起来。


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图1 工业现场常见的浪涌形式


二、传统的应对方式


传统的过电压(OV)和过流(OC)保护系统往往包括:用于过滤低能量尖峰的电容器和电感、用于过电压保护的瞬态电压抑制器(TVS)、用于直流过流保护的保险丝、用于电池反向保护的系列二极管等。


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图2 传统保护架构


尽管这些器件也在不断改进,但这些分立的解决方案体积庞大、不够精密,并且在持续故障期间会烧断保险丝,可能引起以下这些更大范围的停机和故障:


(1)吸收同样的能量,分立器件需要更大的体积。

(2)参数离散,例如同样是SMB封装的78V TVS,其齐纳击穿电压的范围可达1V。

(3)持续或直流的瞬变,可能会烧断保险丝或TVS,需要人工维修。

(4)用于反向保护而串联在功率通路上的二极管,会增加损耗并且带来热的问题。


三、ADI的革新技术——SURGE STOPPER


技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Alex Yang介绍了ADI的革新技术——SURGE STOPPER,SURGE STOPPER能够实现怎样的功能呢?


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图3 浪涌抑制器在汽车中的应用


其功能的核心,就是能够保护负载端的电子系统免受高压冲击。并且在电涌施加在系统前端时,能够确保系统不间断运行。当系统的前端供电出现持续的或是直流故障时,能够断开负载连接,直至前端供电重新正常,保护系统自动恢复供电。另一方面,假如后级出现故障,例如过载和短路,那么SURGE STOPPER也同样可以保护前端供电不会被故障的负载所拖垮,可以干净利落地切断故障通道直至其恢复正常。


在实现核心功能的基础上,SURGE STOPPER在设计中考虑了很多细节。例如,工程师可以对嵌位电压进行高精度的微调,而不需要被动地去TVS选型表中选出最接近自己需求的器件。这样既便于工程师设计的更改和迭代,也可以最大限度地减少过度设计,降低成本。


根据市场需求,ADI革新性地针对浪涌问题研发了三类产品,包括:线性浪涌抑制器,开关浪涌抑制器,以及防护控制器。除此之外,ADI仍在不断尝试用新的思路解决浪涌问题。


线性浪涌抑制器


在正常运行期间,一个线性浪涌抑制器完全打开MOSFET的沟道,为负载电流提供一个低电阻路径。


当输入电源电压出现波动时,输出电压会被线性地调节到一个由电阻分压器设置的安全电压,从而实现保护后级负载电路的目的。


在保护状态下,后级电路会保持工作状态。


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图4 线性浪涌抑制器


开关浪涌抑制器


在正常运行期间,开关浪涌抑制器完全打开外部MOSFET,让功率顺利通过保护级,从而为后级负载供电。


当输入电压浪涌发生时,立刻切换工作模式,将外部MOSFET作为一个高效率的BUCK稳压器的一部分,通过限制输出电压和电流来保护关键的下游组件。


在保护状态下,后级电路会保持工作状态。


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图5 开关浪涌抑制器


保护控制器


保护控制器在供电电压出现异常时立即断开连接,从而达到保护后级电路的目的。


在保护状态下,后级电路会停止工作。


以LTC4368为例,它可以实现过压(OV)、欠压(UV)、过流(OC)、反向输入(RI)四种保护,基本覆盖了应用现场会出现的各种工况,为后级电路提供了完善的保护解决方案。


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图6 LTC4368框图


四、产品举例


Alex分享了ADI的一款线性浪涌抑制器LT4363。


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图7 LT4363的电路架构


LT4363简介


它能通过控制一个外部N沟道MOSFET的栅极,以在过压过程中(比如:汽车应用中的负载突降情况)调节输出电压。输出被限制在一个安全的数值上,从而允许负载持续运作。


LT4363还监视SNS和OUT引脚之间的压降,以防止遭受过流故障的影响。


不管在哪种故障条件下,定时器的起动均与 MOSFET 应力成反比。在定时器终止操作之前,FLT 引脚将被拉至低电平,以发出“即将断电”的警告。如果该条件一直持续,则 MOSFET 将关断。在复位之前,LT4363-1 保持关断,而LT4363-2则在一个冷却周期之后重新起动。


两个高精度比较器能监视输入电源的过压(OV)和欠压(UV)情况。当电压低于UV门限时,外部MOSFET保持关断状态。假如输入电源电压高于OV门限,则不允许MOSFET重新接通。可以采用背对背MOSFET来代替肖特基二极管以提供反向输入保护,从而减少压降和功率损失。一个停机引脚负责将停机期间的静态电流减小至7μA以下。


设计要点


过压故障


在过压情况发生时,LT4363会通过控制MOSFET栅极电压,使得MOSFET工作在可 变电阻区,以保证输出电压采样引脚FB上的电压维持在1.275V。从而达到,将电压嵌位在我们所设定的电压上的目的。同时,如果过电压现象持续存在,则定时器会控制MOSFET关闭。


过流故障


当出现短路或过流情况,LT4363会控制GATE引脚,以限制SNS和OUT引脚之间电流检测电压为50 mV。在输出严重短路的情况下(一般指输出电压低于2V),电流检测门限会由原来的50 mV降低至25mV,以降低MOSFET上的功率应力。如果故障仍然持续,则定时器会控制MOSFET关闭。


MOSFET的选型


LT4363通过驱动一个N沟道MOSFET来导电负载电流。MOSFET的重要参数是导通电阻RDS(ON),漏源极电压的最大值V(BR)DSS、栅极阈值电压V(BR)GS以及SOA。


V(BR)DSS漏源极电压的最大值:


V(BR)DSS漏源极电压的最大值必须高于最高电源电压。如果在出现输出短路接地或在过压事件期间,MOSFET的源漏极会承受全部供电电压。


V(BR)GS栅极驱动电压:


对于VCC供电在9V以上的应用,通用型的所需的栅极驱动电压范围在10V和16V之间;对于VCC供电在9V以下的应用,N沟道MOSFET的栅极驱动电压,不能低于4.5V。


MOSFET的SOA:


SOA(Safe Operation Area)是所有MOSFET中的一个参数,以图标形式体现在规格书中。其中体现出相关联的三个参数的关系:Vds、Id,以及时间T。以典型应用的中的N-MOSFET:FDB33N25为例:


图片8.png

图8 场效应管FDB33N25 的SOA曲线


在选择MOSFET的SOA时,必须考虑所有故障条件下的情况;


在正常工作中,沟道是完全开着的,所以损耗在MOSFET上的功率非常小;


在出现过压或是过流故障时,GATE引脚就会开始控制MOSFET上DS两端所承受的电压或是流过MOSFET的电流。此时高电压和大电流会同时存在于MOSFET当中,因此必须谨慎地依照SOA数据来确定故障定时器的设置。


五、结语


LT4363只是ADI众多浪涌抑制控制器系列中的一款,在汽车、工业等复杂供电环境中,世健提供的ADI浪涌抑制器能够帮助产品抵御恶劣的供电环境,让产品具备对抗各种浪涌伤害的能力,为产品的可靠运行保驾护航。


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