如何为您的电路选择合适的保护

Diarmuid Carey

各行各业的制造商都在不断推动尖端性能，同时试图在这种创新与久经考验的强大解决方案之间取得平衡。设计人员面临着平衡设计复杂性、可靠性和成本的艰巨任务。特别是一个子系统，电子保护，由于其性质而拒绝创新的举动。这些系统可保护敏感且昂贵的下游电子设备（FPGA、ASIC 和微处理器），要求零故障率。

许多传统且经过历史验证的保护方法（如二极管、保险丝和TVS器件）仍保留其首选状态，但这些方法通常效率低下、体积庞大且需要维护。为了解决这些缺陷，有源智能保护IC已经证明它们可以满足传统方法的保护要求，但在许多方面更强大。由于可用的器件种类繁多，设计人员最困难的问题就是选择合适的解决方案。

为了帮助设计人员缩小选择范围，本文将传统保护方法与ADI保护产品组合进行了比较，介绍了这些产品的特性和建议的应用。

介绍

随着各行各业电子产品使用量的增加，以及昂贵的FPGA和处理器所处理功能的扩展，保护这些设备免受恶劣环境影响的需求也随之增加。除此之外，还需要小尺寸、高可靠性以及对过压和过流浪涌事件的快速响应。本文讨论许多应用中面临的挑战以及为什么需要保护。讨论了传统的保护方法，并将其与更新的替代解决方案进行了比较，后者提供了更好的准确性、可靠性和设计灵活性。

为什么考虑电压和电流保护器件？

汽车、工业、通信和航空电子系统必须通过一系列电源浪涌运行，如图1所示。在这些市场中，瞬态事件在许多行业规范中都有定义。例如，ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 规范涵盖了汽车瞬变，其中概述了预期瞬变的详细信息和测试程序，以确保这些瞬变得到一致验证。

浪涌事件的类型及其能量含量可能因电子设备的使用区域而异;电路可能会暴露在过压、过流、反向电压和反向电流条件下。最终，如果直接面对图1所示的瞬态条件，许多电子电路将无法生存，更不用说工作了，因此设计人员必须考虑所有输入事件，并实施保护机制来保护电路免受这些电压和电流浪涌的影响。

图1.一些更严格的ISO 16750-2测试概述。

设计挑战

电子系统中瞬态电压和电流浪涌有许多不同的原因，但某些电子环境比其他环境更容易发生瞬态事件。众所周知，汽车、工业和通信环境中的应用会遇到潜在的有害事件，对下游电子设备造成严重破坏，但浪涌事件不仅限于这些环境。浪涌保护电路的其他可能候选者包括任何需要高电压或高电流电源的应用，或具有热插拔电源连接的应用，或具有电机或可能暴露于潜在雷电引起的瞬变的系统。高压事件可能发生在从微秒到数百毫秒的宽时基范围内，因此灵活可靠的保护机制对于确保昂贵的下游电子设备的使用寿命至关重要。

例如，当交流发电机（为电池充电）与电池暂时断开连接时，可能会发生汽车负载突降。由于这种断开，来自交流发电机的全部充电电流被放置在电源轨上，从而将电源轨电压提高到非常高（>100 V）的水平，持续数百毫秒。

通信应用可能有许多可能的浪涌原因，从热插拔通信卡到可能暴露在雷击下的室外安装。大型设施中使用的长电缆也可能产生感应电压尖峰。

最终，必须了解设备必须运行的环境，同时满足已发布的规范。这有助于设计人员将最佳保护机制组合在一起，该机制既坚固又不引人注目，但允许下游电子设备在安全电压水平下运行，中断最小。

传统保护电路

有这么多不同类型的电气事件需要考虑，电子工程师的武器库中应该采取什么措施来保护敏感的下游电子设备？

传统的保护实现依赖于多个器件，而不仅仅是一个器件，例如，用于过压保护的瞬态电压抑制器 （TVS）、用于过流保护的串联保险丝、用于电池/电源反向保护的串联二极管，以及用于滤除较低能量尖峰的电容器和电感器的混合。虽然分立式设置可以满足公布的规格（保护下游电路），但它们会导致复杂的实现，需要多次选择迭代才能正确调整滤波尺寸。

图2.传统保护装置。

让我们仔细看看这些设备中的每一个，触及这种实现的优缺点。

TVS—瞬态电压抑制器

这是一个相对简单的器件，有助于保护下游电路免受电源上的高压尖峰的影响。它可以分为几种不同的类型，具有广泛的特性（表1按响应时间从小到大的顺序排列）。

瞬态电压抑制装置	响应时间
TVS 二极管	~1 ps
金属氧化物压敏电阻 （MOV）	~1 纳秒
雪崩二极管/齐纳二极管	<1 微秒
气体放电管 （GDT）	<5 微秒

尽管它们具有一系列结构和特性，但它们都以类似的方式工作：当电压超过器件阈值时分流多余的电流。TVS在很短的时间内将输出端的电压箝位到额定电平。例如，TVS二极管可以在低至皮秒的时间内做出响应，而GDT可能需要几微秒才能响应，但可以处理更大的浪涌。

图3显示了TVS二极管保护下游电路的简单实现。在正常工作条件下，TVS具有高阻抗，输入电压仅传递到输出。当输入端发生过压情况时，TVS变为导电，并通过将多余能量分流到地（GND）来响应，从而箝位下游负载看到的电压。电源轨电压上升到典型工作值以上，但对于任何下游电路，都会被箝位到安全水平。

尽管TVS器件可有效抑制非常高的电压偏移，但在面对持续的过压事件时，它们不能免受损坏，因此需要定期监控或更换器件。另一个问题是TVS可能会短路失效，从而撬动输入电源。此外，根据所涉及的能量，它们可以在物理上很大以匹配裕量，从而增加解决方案尺寸。即使TVS的尺寸正确，下游电路也必须能够处理钳位电压，从而导致下游的额定电压要求增加。

图3.使用传统的TVS解决方案防止电压浪涌。

直插式保险丝

过流保护可以使用无处不在的直插式保险丝来实现，保险丝熔断额定值比标称值高出一定余量，例如，比最大额定电流高 20%（百分比将取决于电路类型以及预期的典型工作负载）。当然，保险丝的最大问题是一旦熔断就必须更换。由于保险丝的简单设计而节省的时间和成本可能会在以后由于相对复杂的维护而产生，尤其是在物理上难以到达的情况下。使用备用保险丝可以降低维护要求，例如可复位保险丝，当通过设备的电流大于正常电流时，该保险丝利用正温度系数断开电路（增加的电流水平会增加温度，导致电阻急剧增加）。

撇开维护问题不谈，保险丝的最大问题之一是它们的反应时间，根据所选保险丝的类型，反应时间可能会有很大差异。可以使用快速熔断保险丝，但清除时间（打开电路的时间）仍可以从数百微秒到毫秒不等，因此电路设计人员必须考虑这些延长时间内释放的能量，以确保下游电子设备能够生存。

串联二极管

在某些环境中，电路会面临电源断开和重新连接的风险，例如，在电池供电的环境中。在这种情况下，不能保证重新连接电源时的正确极性。极性保护可以通过在电路的正电源线上增加一个串联二极管来实现。虽然这种简单的添加可以有效地防止反极性，但串联二极管的压降会导致相应的功耗。在相对低电流的电路中，权衡是最小的，但对于许多现代高电流轨，需要另一种解决方案。图4显示了对图3的更新，显示了TVS和增加的串联二极管，以防止反极性连接。

图4.添加串联二极管可防止反极性，但在大电流系统中，二极管的压降可能是一个问题。

使用电感器和电容器的滤波器

到目前为止讨论的无源解决方案都限制了通过的事件的幅度，但通常会捕获较大的事件，同时留下一些较小的尖峰。这些较小的瞬变仍会对下游电路造成损坏，因此需要额外的无源滤波器来清洁线路。这可以使用分立电感器和电容器来实现，其尺寸必须衰减不需要的频率下的电压。滤波器设计需要在设计前进行测试和测量，以确定滤波器的尺寸和频率，然后才能正确确定滤波器的尺寸。这种路径的缺点是BOM成本和空间要求（达到滤波水平所需的电路板面积和元件成本），以及过度设计的需求，即评估元件容差以补偿随时间和温度的变化。

使用浪涌抑制器的主动保护

克服所述无源保护解决方案的挑战和缺点的一种方法是改用浪涌抑制器IC。浪涌抑制器通过易于使用的控制器 IC 和串联 N 沟道 MOSFET，消除了对笨重并联电路（TVS 器件、保险丝、电感器和电容器）的需求。浪涌抑制器控制器可以大大简化系统设计，因为需要确定尺寸和鉴定的组件很少。

浪涌抑制器持续监控输入电压和电流。在标称工作条件下，控制器驱动 N 沟道 MOSFET 通器件的栅极完全导通，从而提供从输入到输出的低电阻路径。当发生过压或浪涌情况时（阈值由输出端的反馈网络决定），IC调节N沟道MOSFET的栅极，将MOSFET的输出电压箝位在电阻分压器设定的水平。

图5显示了浪涌抑制器的简化原理图，以及标称100 V电源轨上12 V输入浪涌的结果。浪涌抑制电路的输出在浪涌事件期间被箝位至27 V。一些浪涌抑制器还使用串联检测电阻（图5中的断路器）监控过流情况，并调整N沟道MOSFET的栅极以限制输出负载的电流。

图5.浪涌抑制器实现的高级图。

浪涌抑制器有四种主要类型，按其对过压事件的响应分类：

线性浪涌止动器

栅极夹

开关浪涌抑制器

输出断开保护控制器

浪涌止动器的选择取决于应用，因此让我们比较一下它们的操作和优势。

浪涌抑制器类型：线性

线性浪涌抑制器驱动串联 MOSFET 与线性稳压器非常相似，将输出电压限制在预编程的安全值，从而消耗 MOSFET 中的多余能量。为了帮助保护 MOSFET，该器件通过实施容性故障定时器来限制在高耗散区域花费的时间。

图6.

LT4363

是一款线性浪涌抑制器。

浪涌抑制器类型：栅极夹

栅极箝位浪涌抑制器的工作原理是利用内部或外部箝位（例如，内部31.5 V或50 V，或可调外部箝位）将栅极引脚限制在此电压。然后，MOSFET 的阈值电压决定输出电压限值。例如，对于内部31.5 V栅极箝位和5 V的MOSFET阈值电压，输出电压限制为26.5 V。栅极钳式浪涌抑制器的示例如图7所示。

图7.

LTC4380

是一款栅极钳位浪涌抑制器。

浪涌抑制器类型：开关

对于更高功率的应用，开关浪涌抑制器是一个不错的选择。与线性和栅极箝位浪涌抑制器一样，开关浪涌抑制器在正常工作时可充分增强调整 FET，从而在输入和输出之间提供低电阻路径（最大限度降低功耗）。当检测到浪涌事件时，开关浪涌抑制器和线性或栅极钳位浪涌抑制器之间的主要区别就出现了。在发生浪涌时，开关浪涌抑制器的输出通过切换外部MOSFET调节至箝位电压，这与开关DC-DC转换器非常相似。

图8.

LTC7860

，一款开关浪涌抑制器。

保护控制器：输出断开

保护控制器不是正式的浪涌抑制器，但它确实可以阻止浪涌。与浪涌抑制器一样，保护控制器监控过压和过流情况，但保护控制器不会箝位或调节输出，而是立即断开输出以保护下游电子设备。这种简单的保护电路可以具有非常紧凑的占位面积，适用于电池供电的便携式应用。LTC4368保护控制器如图9所示，并示于其对过压事件的响应。保护控制器有多种型号可供选择。

图9.LTC4368，一款保护控制器。

保护控制器通过监视输入电压来工作，以确保其保持在由OV/UV引脚上的电阻分压器配置的电压窗口内，当输入超出此窗口时，通过背靠背MOSFET断开输出，如图9所示。背靠背 MOSFET 还可以防止输入反向。输出端的检测电阻通过持续监视正向电流来实现过流保护功能，但无需基于定时器的穿越操作。

浪涌抑制器特点

为了为您的应用选择最合适的缓冲器，您需要知道有哪些功能可用以及它们正在帮助解决哪些挑战。这些设备可以在参数表中找到。

断开连接与穿越

某些应用要求在检测到浪涌事件时断开输出与输入的连接。在这种情况下，需要过压断开。如果您需要输出在面对浪涌事件时保持运行，从而最大限度地减少下游电子设备的停机时间，则需要浪涌抑制器来应对浪涌事件。在这种情况下，线性或开关浪涌抑制器可以实现此功能（前提是功率水平对于所选拓扑和FET来说是合理的）。

故障定时器

穿越操作需要对MOSFET进行一些保护，以防止持续浪涌。为了保持在FET的安全工作区（SOA）内，可以实现一个定时器。定时器本质上是一个接地电容。当发生过压情况时，内部电流源开始为该外部电容器充电。一旦电容达到某个阈值电压，数字故障引脚就会拉低，以指示调整管将很快因扩展的过压条件而关断。如果定时器引脚电压继续上升到次级门限，则 GATE 引脚拉低以关断 MOSFET。

定时器电压的变化率随MOSFET两端的电压而变化，也就是说，较大电压的定时器较短，较小电压的定时器较长。这一有用的特性使器件能够渡过短的过压事件，允许下游组件保持工作状态，同时保护 MOSFET 免受更持久的过压事件损坏。某些设备具有重试功能，使设备能够在冷却期后再次打开输出。

过流保护

许多浪涌抑制器能够监控电流并防止过流事件。这是通过监测串联检测电阻两端的压降并做出适当响应来实现的。还可以监测和控制浪涌电流以保护 MOSFET。响应可能类似于过压情况，因为如果电路可以处理功率电平，则通过闭锁断开或穿越事件来断开连接。

反向输入保护

由于浪涌抑制器器件具有广泛的工作能力（在某些器件上能够承受低于地电位 60 V 的电压），因此可以实现反向输入保护。图10显示了反向电流保护的背靠背MOSFET实现。正常工作期间，Q2和Q1由GATE引脚导通，Q3没有任何影响。但是，当存在反向电压条件时，Q3导通，将Q2的栅极下拉至负输入并隔离Q1，从而保护输出。

反向输出电压保护还具有强大的器件引脚保护功能，根据所选器件的不同，最高可达地电位以下 20 V。

图 10.LT4363反向输入保护电路。

对于需要宽输入电压范围的应用，可以使用浮动拓扑浪涌抑制器。当发生浪涌事件时，浪涌抑制器IC可以看到完整的浪涌电压，因此内部晶体管技术限制了IC的电压范围。利用一个浮动浪涌抑制器（例如 LTC4366），该 IC 浮动在刚好低于输出电压的位置，从而提供了更宽的工作电压范围。在返回管路中放置一个电阻器（V党卫军），这允许IC随电源电压浮动。其结果是由外部元件和MOSFET的电压能力设置的输入电压限制。图11所示应用电路能够在非常高的直流电源下工作，同时保护下游负载。

图 11.LTC4366 高电压浮动拓扑结构。

为我的应用选择合适的设备

在许多方面，由于其固有的坚固设计，使用浪涌抑制器简化了保护电路设计。数据手册对元件尺寸有很大帮助，已经展示了许多可能的应用。最困难的部分可能是选择最合适的设备。请按照以下步骤缩小字段范围：

转到ADI的保护系列参数表。

选择输入电压范围。

选择通道数。

过滤要素以缩小可能的选项范围。

与所有产品选择一样，在寻找正确的设备之前，了解您的系统要求非常重要。一些重要的考虑因素是预期的电源电压和下游电子器件的电压容差（对于决定箝位电压很重要），以及对设计很重要的任何特定特性。

下面显示了一些过滤参数表示例，以供参考。这些可以在网站上进一步修改以包含一些其他参数。

高压浪涌抑制器设备可以在这里找到。

可在此处找到具有 OV 断开功能的保护控制器。

结论

无论采用何种浪涌抑制器类型，基于IC的有源浪涌抑制器设计都无需笨重的TVS二极管或大型电感器和电容器进行滤波。这导致整体面积更小，解决方案外形更薄。输出电压箝位比TVS更精确，精度可达1%至2%。这可以防止过度设计，并允许选择具有更严格公差的下游设备。

ADI公司提供的系统保护器件系列使设计人员能够为下游器件实现可靠、灵活、小尺寸的保护，尤其是那些面临严重过压和过流事件的器件，这些事件可能发生在许多工业、汽车、航空航天和通信设计中。

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