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作者：Frederik Dostal，ADI公司電源管理專家 摘要 在工業電子設備中，過壓保護是確保設備可靠運行的重要環節。本文將探討如何使用開關浪涌抑制器替代傳統的線性浪涌抑制器，以應對長時間的過壓情況。與傳統線性浪涌抑制器不同，開關浪涌抑制器能夠在持續浪涌的情況下保持負載正常運行，而傳統線性浪涌抑制器則需要在電源路徑中的MOSFET散熱超過其處理能力時切斷電流。 可靠的工業電子設備通常配備保護電路，以防止電源線路出現過壓，從而保護電子設備免受損壞。過壓現象可能在電源線路負載快速變化時發生，線路中的寄生電感可能導致高電壓尖峰。這個問題可通過輸入保護電路來解決，比如圖1所示的采用ADI LTC4380的保護電路。在該電路中，功率開關M1位于電流傳導路徑上。當VIN時發生過壓時，開關M1將在線性區域內工作，使其表現為歐姆區域的電阻，從而通過MOSFET M1上的壓降來調節VOUT。這一機制可有效防止輸出電壓升高至過高水平，從而保護下游電子設備。然而，這種保護方法的有效時間是有限的，持續時間由開關M1的許可安全工作區(SOA)決定。如果功率MOSFET上的壓降一直很高且持續時間超過了限制，MOSFET的溫度將超過其最高溫度閾值，可能導致器件損壞。LTC4380等集成電路內置了定時器，以防止過壓情況的發生。定時器中設定了MOSFET在過壓條件下在線性區域工作的時長，通常為數毫秒或數微秒。一旦設定時間結束，開關M1將完全斷開，從而保護開關本身，但這也意味著系統的電源將被切斷。 
圖1.采用線性浪涌保護器IC進行過壓保護（簡化電路）。 為了確保工業電子設備在任何情況下都能可靠運行并獲得不間斷電源，選擇能夠長時間耐受過壓的解決方案至關重要。這包括考慮故障情形，例如電源線路連接錯誤可能會導致過壓。通過選擇能夠應對這些情況的解決方案，電路可以可靠運行并避免電源電壓中斷。此類解決方案可通過圖2所示的開關浪涌保護器來實現。
圖2.無過壓時間限制的開關過壓保護電路（簡化電路）。 在圖2所示的電路中，除了浪涌保護器IC，還使用了電感和外部肖特基二極管。降壓開關穩壓器作為保護電路運行。然而，僅當輸入電壓超過設置的最大值時，該開關穩壓器才會開始工作。此時間段內的工作通常不需要特別注重能效。簡單的肖特基二極管可用作反激二極管。
圖3.輸入電壓和輸出電壓對過壓的響應（上圖），以及高頻范圍內開關節點處的開關電壓（下圖）。 在圖3中，藍色顯示輸入電壓響應。正常輸入電壓為16 V。大約2 ms時，過壓達到40 V。紅色顯示輸出電壓隨時間的變化。在VIN過壓持續期間，開關DC-DC穩壓器激活，將輸出電壓調節到16 V。綠色顯示區域為開關節點電壓（在MOSFET、肖特基二極管和電感之間的節點處）。 因此，如圖1所示，過壓保護電路可以采用線性設計，或者采用特殊的開關（降壓）DC-DC穩壓器，比如圖2中的LTC7860。簡單的降壓開關穩壓器不適合此應用，因為在這種情況下，N溝道MOSFET無法持續導通。 過壓保護電路包括線性浪涌保護器和開關浪涌保護器IC。有了開關浪涌保護器，即使遭遇長時間過壓，電路也能持續工作。這意味著即使過壓持續很長時間，被供電電路仍持續受到保護并正常工作。 結論 越來越多的工業和儀表應用要求使用精密轉換器來實現各種工藝的精確控制與測量。此外，這些最終應用還要求更高的靈活性、可靠性和功能集，同時降低成本和電路板面積。元件制造商正在解決這些難題，并推出了一系列產品來滿足系統設計人員對當前與未來設計的要求。如本文所述，有多種途徑可選擇合適的元件用于精密應用，每一種都各有優缺點。隨著系統精度的提高，人們需要更加注重合適元件的選擇，以滿足應用要求。 作者簡介 Frederik Dostal是一名擁有20多年行業經驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，進而積累了不少經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關模式電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。 |
