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作者：凌力爾特公司混合信號(hào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師 侯治中 汽車和工業(yè)應(yīng)用中的電源系統(tǒng)必須處理短時(shí)間的高電壓浪涌、保持負(fù)載上的調(diào)節(jié)同時(shí)避免敏感電路遭受危險(xiǎn)瞬變的損壞。常用的保護(hù)方案需要使一個(gè)串聯(lián)鐵芯電感器和高值電解旁路容器 ，并輔之以一個(gè)功率瞬態(tài)壓抑制高值電解旁路容器 ，并輔之以一個(gè)功率瞬態(tài)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(tǒng)中最高組件。即使采用了此類保護(hù)方案也不能提供針對(duì)反向輸入電壓 或源欠(這些都是汽車環(huán)境中有可能遭遇的情形) 的防護(hù) 作用。 出于避免遭受這些事件的損壞及保持輸電壓考慮， 設(shè)計(jì)人員增了一個(gè)隔離二極管，但這中的額外電壓降會(huì)導(dǎo)致功率損失的增加 。 LTC4364是一款用于負(fù)載保護(hù)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(qū)動(dòng)兩個(gè)背對(duì)背N溝道傳輸晶體管：其一 (圖1中的M1) 負(fù)責(zé)提供電壓浪涌保護(hù)并保持向輸出提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，而另一個(gè) (圖1中的M2) 則充當(dāng)用于提供反向輸入保護(hù)和輸出保持的理想二極管。 另外，LTC4364還可提供針對(duì)過載和短路的保護(hù)、承受輸出電壓反向、在輸入欠壓情況下保持MOSFET關(guān)斷、以及在輸入過壓情況下禁止接通或自動(dòng)重試。該器件的停機(jī)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(jí)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(yīng)用。在正常工作條件下，LTC4364將浪涌抑制器N溝道MOSFET (M1)驅(qū)動(dòng)至完全導(dǎo)通，并把理想二極管N溝道MOSFET (M2)的VDS調(diào)節(jié)至30mV，從而最大限度地減小了從輸入電源至負(fù)載電路的電壓降。當(dāng)VOUT上升到(VIN– 0.7V) 時(shí)，ENOUT引腳電平走高以啟動(dòng)負(fù)載電路。
圖2：具反向電流保護(hù)功能的浪涌抑制器可在VIN上承受 200V/-24V瞬態(tài)電壓 在輸入電壓浪涌期間，LTC4364調(diào)節(jié)HGATE引腳電壓，并通過MOSFET M1和一個(gè)阻性分壓器對(duì)輸出電壓進(jìn)行箝位，從而把FB引腳電壓保持在1.25V。負(fù)載電路繼續(xù)運(yùn)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(diào)節(jié)在27V，而負(fù)載電路面對(duì)一個(gè)92V輸入尖峰可繼續(xù)運(yùn)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(dāng)OUT>2.5V時(shí))。對(duì)于OUT低于1.5V時(shí)的嚴(yán)重輸出短路，電流限制檢測(cè)電壓將折返至 25mV以為MOSFET提供額外的保護(hù) (圖4)。
圖4：電流限值的2:1折返可減小嚴(yán)重輸出短路時(shí)的MOSFET應(yīng)力 當(dāng)出現(xiàn)輸出限制時(shí) (過壓 [如圖5所示] 或過流)，定時(shí)器電容器電壓斜坡上升。假如這種狀況持續(xù)的時(shí)間足夠長以至于TMR引腳電壓達(dá)到1.25V，則FAULT引腳電平走低，以向下游電路發(fā)出“即將發(fā)生功率損失”的早期報(bào)警。在1.35V電壓下定時(shí)器將關(guān)斷MOSFET，并在等待一個(gè)冷卻間隔之后再嘗試重新起動(dòng)。
圖5：LTC4364-2在過壓故障之后的自動(dòng)重試定時(shí)器序列提供了一個(gè)非常長的冷卻周期(0.1%占空比) LTC4364監(jiān)視MOSFET兩端的電壓，并針對(duì)不斷增加的VCC– VOUT成比例地縮短關(guān)斷定時(shí)器間隔。這樣，高應(yīng)力輸出短路過程的持續(xù)時(shí)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(qū)之內(nèi)運(yùn)作。 在過壓或過流情況下，LTC4364具有一個(gè)非常低的再起動(dòng)占空比 (約為0.1%)，從而可確保MOSFET在因故障而被關(guān)斷之后先冷卻，然后再重新起動(dòng)。圖5示出了LTC4364-2在一個(gè)過壓故障之后的自動(dòng)重試定時(shí)器序列。 LTC4364的一個(gè)重要特性是：可在輸入電源和VCC引腳之間布設(shè)一個(gè)電流限制器件，例如一個(gè)電阻器(圖2中的R4)。現(xiàn)在，VCC引腳上的電源瞬變可利用一個(gè)電容器 (圖2中的C1) 進(jìn)行濾波或由一個(gè)齊納二極管 (圖2中的D1) 進(jìn)行箝位。如果選擇了一個(gè)正確的MOSFET M1，那么該方案將能承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于100V的電源瞬變。圖2中的電路可耐受高達(dá)200V的電源瞬變。 輸入電壓監(jiān)視可避免發(fā)生不想要的接通 LTC4364采用UV引腳來檢測(cè)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(shí)使MOSFET保持關(guān)斷。另外，LTC4364還監(jiān)視輸入過壓狀況并把MOSFET保持在關(guān)斷狀態(tài)，以在發(fā)生某種輸出故障情況之后執(zhí)行啟動(dòng)或再起動(dòng)操作。 在上電時(shí)，如果OV引腳電壓在100μs的上電復(fù)位延遲結(jié)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(guān)斷，直到OV引腳電壓降至1.25V以下為止。該特性可避免當(dāng)電路板插入一個(gè)過壓電源時(shí)執(zhí)行啟動(dòng)操作，借助的方法是采用兩個(gè)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(duì)輸入U(xiǎn)V和OV監(jiān)視器進(jìn)行配置以阻止在過壓情況下啟動(dòng) 啟動(dòng)之后，在正常情況下后續(xù)的輸入過壓條件并不會(huì)關(guān)斷MOSFET，而是將在某種輸出故障之后阻止執(zhí)行自動(dòng)重試操作。在某個(gè)故障之后，如果OV引腳電壓在冷卻定時(shí)器周期結(jié)束時(shí)高于1.25V，則MOSFET將保持關(guān)斷狀態(tài)，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(duì)反向輸入和欠壓的保護(hù) 為提供反向輸入保護(hù)，在電子系統(tǒng)的電源通路中常常安置一個(gè)肖特基隔離二極管。這個(gè)二極管不僅消耗功率，而且還降低了可提供給負(fù)載電路的工作電壓，而在采用低輸入電壓時(shí)這一點(diǎn)特別明顯 (比如：汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)情況)。通過采用DGATE引腳來驅(qū)動(dòng)第二個(gè)反向連接的MOSFET(圖2中的M2)，LTC4364去除了傳統(tǒng)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(diào)節(jié)至僅為30mV。倘若負(fù)載電流足夠大而產(chǎn)生了超過30mV的正向壓降，則M2被驅(qū)動(dòng)至完全導(dǎo)通，而且其VDS等于RDS(ON)·ILOAD。 當(dāng)發(fā)生輸入短路或電源故障時(shí)，反向電流將暫時(shí)流過M2。LTC4364可檢測(cè)到反向電壓降并立即關(guān)斷M2，從而最大限度地減少輸出存儲(chǔ)電容器的放電并保持輸出電壓。圖7a示出了一個(gè) 12V輸入電源短路至地的結(jié)果。對(duì)于這種情況，LTC4364做出的響應(yīng)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(chǎng)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(guān)斷狀態(tài)并使負(fù)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(dá)100V及低于GND電位達(dá)40V的瞬態(tài)電壓。
圖7：LTC4364輸入保護(hù)：(a)當(dāng)發(fā)生輸入短路或欠壓時(shí)，DGATE引腳被拉低，因而關(guān)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(guān)斷狀態(tài)并切斷反饋 內(nèi)置輸出端口保護(hù)功能電路 當(dāng)輸出位于一個(gè)連接器的時(shí)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(xiàng)特性為負(fù)載電路和輸入電源提供了針對(duì)這些情況的保護(hù)作用： ●假如輸出端口插入了一個(gè)高于輸入的電源，則理想二極管 MOSFET M2關(guān)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(diào)節(jié)至電流限值，然后在故障超時(shí)的情況下關(guān)斷MOSFET M1。 ●如果一個(gè)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(shí)關(guān)斷傳輸MOSFET M1，從而使正向?qū)娏魍窋嚅_并避免在輸入端上發(fā)生電池電量耗盡。 圖9b示出了當(dāng)一個(gè)–12V電源施加至輸出端時(shí)的結(jié)果。LTC4364將立即把HGATE引腳短接至SOURCE引腳 (其跟隨輸出)，從而關(guān)斷MOSFET M1，于是輸入電源與故障輸出斷接。
圖8：LTC4364提供了針對(duì)過壓、短路或反向電壓的內(nèi)置輸出端口保護(hù)功能
圖9：LTC4364輸出端口保護(hù)：(a)當(dāng)強(qiáng)制輸出高于輸入時(shí)，DGATE引腳被拉低以切斷反饋; (b)當(dāng)強(qiáng)制輸出低于GND電位時(shí)，HGATE引腳被拉至SOURCE引腳，從而切斷正向?qū)ú⒐?jié)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(dá)100V及低于GND電位達(dá)20V的瞬態(tài)電壓。對(duì)于那些有可能強(qiáng)制輸出端口低于地電位的應(yīng)用，應(yīng)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(wěn)定電壓和電流限制環(huán)路并最大限度地抑制輸入瞬變的容性饋通 (見圖8)。應(yīng)使用一個(gè)低漏電二極管 (圖8中的D2) 以保護(hù)FB引腳。 結(jié)論 LTC4364是一款緊湊和完整的解決方案以限制和調(diào)節(jié)電壓及電流，可保護(hù)敏感的負(fù)載電路免遭危險(xiǎn)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(yè)系統(tǒng)中，它是傳統(tǒng)上龐大笨重保護(hù)電路的一種易于實(shí)現(xiàn)的高性能替代方案。 LTC4364的集成型理想二極管驅(qū)動(dòng)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(shí)削減因采用隔離二極管所造成的電壓損失。當(dāng)輸出位于連接器側(cè)時(shí)，其內(nèi)置的輸出端口保護(hù)功能電路是很有用處的。由于擁有輸入U(xiǎn)V和OV監(jiān)視功能及一種低電流停機(jī)模式，因而使該器件的特性集更加完善。 |
