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作者：凌力爾特公司混合信號產品設計工程師 侯治中 汽車和工業應用中的電源系統必須處理短時間的高電壓浪涌、保持負載上的調節同時避免敏感電路遭受危險瞬變的損壞。常用的保護方案需要使一個串聯鐵芯電感器和高值電解旁路容器 ，并輔之以一個功率瞬態壓抑制高值電解旁路容器 ，并輔之以一個功率瞬態壓抑制(TVS)和熔絲。 這種笨拙的方法需要占用大量的電路板面積資源 — 龐大的電感器和容常是系統中最高組件。即使采用了此類保護方案也不能提供針對反向輸入電壓 或源欠(這些都是汽車環境中有可能遭遇的情形) 的防護 作用。 出于避免遭受這些事件的損壞及保持輸電壓考慮， 設計人員增了一個隔離二極管，但這中的額外電壓降會導致功率損失的增加 。 LTC4364是一款用于負載保護和輸出保持的完整控制解決方案，其占板面積小巧，并免除了龐大笨重的組件和不希望有的電壓降。圖1示出了LTC4364的功能方框圖。該器件可驅動兩個背對背N溝道傳輸晶體管：其一 (圖1中的M1) 負責提供電壓浪涌保護并保持向輸出提供一個穩定的電壓，而另一個 (圖1中的M2) 則充當用于提供反向輸入保護和輸出保持的理想二極管。 另外，LTC4364還可提供針對過載和短路的保護、承受輸出電壓反向、在輸入欠壓情況下保持MOSFET關斷、以及在輸入過壓情況下禁止接通或自動重試。該器件的停機模式可將電源電流減小到低至10μA。 
圖1：LTC4364的簡化方框圖 高級浪涌抑制器可承受較高的電壓并確保安全操作 圖2示出了LTC4364的一種典型應用。在正常工作條件下，LTC4364將浪涌抑制器N溝道MOSFET (M1)驅動至完全導通，并把理想二極管N溝道MOSFET (M2)的VDS調節至30mV，從而最大限度地減小了從輸入電源至負載電路的電壓降。當VOUT上升到(VIN– 0.7V) 時，ENOUT引腳電平走高以啟動負載電路。
圖2：具反向電流保護功能的浪涌抑制器可在VIN上承受 200V/-24V瞬態電壓 在輸入電壓浪涌期間，LTC4364調節HGATE引腳電壓，并通過MOSFET M1和一個阻性分壓器對輸出電壓進行箝位，從而把FB引腳電壓保持在1.25V。負載電路繼續運作，且電源電壓僅有適度的增加 (如圖3所示)。
圖3：LTC4364將輸出調節在27V，而負載電路面對一個92V輸入尖峰可繼續運作 在電流過載的情況下，LTC4364通過M1限制輸出電流以把SENSE和OUT引腳兩端的電壓保持在50mV(當OUT>2.5V時)。對于OUT低于1.5V時的嚴重輸出短路，電流限制檢測電壓將折返至 25mV以為MOSFET提供額外的保護 (圖4)。
圖4：電流限值的2:1折返可減小嚴重輸出短路時的MOSFET應力 當出現輸出限制時 (過壓 [如圖5所示] 或過流)，定時器電容器電壓斜坡上升。假如這種狀況持續的時間足夠長以至于TMR引腳電壓達到1.25V，則FAULT引腳電平走低，以向下游電路發出“即將發生功率損失”的早期報警。在1.35V電壓下定時器將關斷MOSFET，并在等待一個冷卻間隔之后再嘗試重新起動。
圖5：LTC4364-2在過壓故障之后的自動重試定時器序列提供了一個非常長的冷卻周期(0.1%占空比) LTC4364監視MOSFET兩端的電壓，并針對不斷增加的VCC– VOUT成比例地縮短關斷定時器間隔。這樣，高應力輸出短路過程的持續時間間隔要比短暫的輕微過載更短，因而有助于確保MOSFET在其安全工作區之內運作。 在過壓或過流情況下，LTC4364具有一個非常低的再起動占空比 (約為0.1%)，從而可確保MOSFET在因故障而被關斷之后先冷卻，然后再重新起動。圖5示出了LTC4364-2在一個過壓故障之后的自動重試定時器序列。 LTC4364的一個重要特性是：可在輸入電源和VCC引腳之間布設一個電流限制器件，例如一個電阻器(圖2中的R4)。現在，VCC引腳上的電源瞬變可利用一個電容器 (圖2中的C1) 進行濾波或由一個齊納二極管 (圖2中的D1) 進行箝位。如果選擇了一個正確的MOSFET M1，那么該方案將能承受遠遠高于100V的電源瞬變。圖2中的電路可耐受高達200V的電源瞬變。 輸入電壓監視可避免發生不想要的接通 LTC4364采用UV引腳來檢測輸入欠壓狀況 (例如：低電池電量)，并在UV引腳電壓低于1.25V時使MOSFET保持關斷。另外，LTC4364還監視輸入過壓狀況并把MOSFET保持在關斷狀態，以在發生某種輸出故障情況之后執行啟動或再起動操作。 在上電時，如果OV引腳電壓在100μs的上電復位延遲結束之前 (或UV引腳電壓升至1.25V以上之前) 高于1.25V，則MOSFET將保持關斷，直到OV引腳電壓降至1.25V以下為止。該特性可避免當電路板插入一個過壓電源時執行啟動操作，借助的方法是采用兩個分離的阻性分壓器以及用于OV和UV引腳的合適濾波電容器 (圖6)。
圖6：可對輸入UV和OV監視器進行配置以阻止在過壓情況下啟動 啟動之后，在正常情況下后續的輸入過壓條件并不會關斷MOSFET，而是將在某種輸出故障之后阻止執行自動重試操作。在某個故障之后，如果OV引腳電壓在冷卻定時器周期結束時高于1.25V，則MOSFET將保持關斷狀態，直到輸入過壓情況被清除為止。 理想二極管可利用微小的電壓降提供針對反向輸入和欠壓的保護 為提供反向輸入保護，在電子系統的電源通路中常常安置一個肖特基隔離二極管。這個二極管不僅消耗功率，而且還降低了可提供給負載電路的工作電壓，而在采用低輸入電壓時這一點特別明顯 (比如：汽車冷車發動情況)。通過采用DGATE引腳來驅動第二個反向連接的MOSFET(圖2中的M2)，LTC4364去除了傳統的肖特基隔離二極管及其所引起的電壓和功率損失。 在正常操作條件下，LTC4364將正向壓降(M2的VDS) 調節至僅為30mV。倘若負載電流足夠大而產生了超過30mV的正向壓降，則M2被驅動至完全導通，而且其VDS等于RDS(ON)·ILOAD。 當發生輸入短路或電源故障時，反向電流將暫時流過M2。LTC4364可檢測到反向電壓降并立即關斷M2，從而最大限度地減少輸出存儲電容器的放電并保持輸出電壓。圖7a示出了一個 12V輸入電源短路至地的結果。對于這種情況，LTC4364做出的響應是把DGATE引腳拉至低電平，從而切斷了反向電流通路，輸出電壓于是得以保持。 在電池接反的場合中，LTC4364將DGATE引腳短接至SOURCE引腳 (其跟隨輸入)，且無需使用外部組件，從而把M2保持在關斷狀態并使負載電路與輸入斷接，如圖7b所示。VCC、SHDN、UV、OV、HGATE、SOURCE和DGATE引腳皆能承受高于GND電位達100V及低于GND電位達40V的瞬態電壓。
圖7：LTC4364輸入保護：(a)當發生輸入短路或欠壓時，DGATE引腳被拉低，因而關斷理想二極管MOSFET并保持輸出電壓; (b) 在反向輸入情況下，DGATE引腳被拉至SOURCE引腳，從而把理想二極管MOSFET保持在關斷狀態并切斷反饋 內置輸出端口保護功能電路 當輸出位于一個連接器的時候 (如圖8所示)，它有可能遭受過壓、短路或反向電壓。LTC4364憑借多項特性為負載電路和輸入電源提供了針對這些情況的保護作用： ●假如輸出端口插入了一個高于輸入的電源，則理想二極管 MOSFET M2關斷以使反饋通路斷開，如圖9a所示。 ●如果輸出端口短路至地，則HGATE引腳首先把正向電流調節至電流限值，然后在故障超時的情況下關斷MOSFET M1。 ●如果一個反向電源被施加至輸出端口，則LTC4364將在OUT引腳電壓降至GND電位以下時關斷傳輸MOSFET M1，從而使正向導通電流通路斷開并避免在輸入端上發生電池電量耗盡。 圖9b示出了當一個–12V電源施加至輸出端時的結果。LTC4364將立即把HGATE引腳短接至SOURCE引腳 (其跟隨輸出)，從而關斷MOSFET M1，于是輸入電源與故障輸出斷接。
圖8：LTC4364提供了針對過壓、短路或反向電壓的內置輸出端口保護功能
圖9：LTC4364輸出端口保護：(a)當強制輸出高于輸入時，DGATE引腳被拉低以切斷反饋; (b)當強制輸出低于GND電位時，HGATE引腳被拉至SOURCE引腳，從而切斷正向導通并節省輸入端上的電池功率。 LTC4364的OUT和SENSE引腳能承受高于GND電位達100V及低于GND電位達20V的瞬態電壓。對于那些有可能強制輸出端口低于地電位的應用，應在輸出端上采用具有正確額定電壓的陶瓷旁路電容器，以穩定電壓和電流限制環路并最大限度地抑制輸入瞬變的容性饋通 (見圖8)。應使用一個低漏電二極管 (圖8中的D2) 以保護FB引腳。 結論 LTC4364是一款緊湊和完整的解決方案以限制和調節電壓及電流，可保護敏感的負載電路免遭危險電源瞬變 (包括那些超過100V的電源瞬變) 的損壞。在汽車和工業系統中，它是傳統上龐大笨重保護電路的一種易于實現的高性能替代方案。 LTC4364的集成型理想二極管驅動器可在輸入短路、電源欠壓或反向輸入的情況下保持輸出電壓，同時削減因采用隔離二極管所造成的電壓損失。當輸出位于連接器側時，其內置的輸出端口保護功能電路是很有用處的。由于擁有輸入UV和OV監視功能及一種低電流停機模式，因而使該器件的特性集更加完善。 |
