若何选择合适的电路保护_浪涌_克制器

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有什么有源电路保护方案可以取代TVS二极管和保险丝？

答案：

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可以试试浪涌抑制器。

（图片来自网络侵删）

择要

所有行业的制造商都在不断推动提升高端性能，同时试图在此类创新与成熟可靠的办理方案之间达成平衡。
设计职员面临着平衡设计繁芜性、可靠性和本钱这一困难任务。
以一个电子保护子系统为例，受其特性限定，无法进行创新。
这些系统保护敏感且本钱高昂的下贱电子器件（FPGA、ASIC和微处理器），这些器件都哀求担保零故障。

许多传统的可靠保护办理方案（例如二极管、保险丝和TVS器件）能够保持待保护状态，但它们常日低效、体积弘大且须要掩护。
为理解决这些不敷，有源智能保护IC应运而生，它们能够达到传统方法的保护哀求，而且从有些方面来看，它们更加可靠。
但是器件种类繁多，以是，设计职员面临的最困难的问题便是选择得当的办理方案。

为了帮助设计职员缩小选择范围，本文对传统保护方法和ADI保护产品系列进行比较，以展示这些产品和建议运用的特性。

简介

随着所有行业中电子器件的利用数量不断增加，且本钱高昂的FPGA和处理器的处理功能不断扩展，人们越来越哀求对这些在严苛环境中运行的器件供应保护。
此外，还须要它们体积小巧、可靠性高，能够快速相应过压和过流浪涌事宜。
本文磋商了许多运用面临的寻衅，以及为何必要保护，比较了传统的保护方法和更新的可替代办理方案，后者具有更高的精度、可靠性和设计灵巧性。

为何考虑利用电压和电流保护器件？

汽车、工业、通信和航空电子系统需经受一系列电源浪涌，例如图1所示的这些。
在这些市场中，许多行业规范都对瞬态事宜进行了定义。
例如，ISO 7637-2和ISO 16750-2规范定义了汽车瞬态，详细概述了预期瞬变，以及确保持续验证这些瞬变的测试步骤。

浪涌事宜的类型和所含能量会因电子器件的利用区域而异；电路可能遭受过压、过流、反向电压和反向电流等情形。
末了，如果要直接经受图1所示的这些瞬变条件，许多电路都无法坚持，更不用说独立运行，以是设计职员必须考虑所有输入情形，并采纳可以保护电路不受电压和电流浪涌影响的机制。

图1.一些更严格的ISO 16750-2测试的概述

设计寻衅

有很多不同缘故原由会引发电子系统中涌现瞬变电压和电流，但有些电子环境比其他环境更随意马虎发生瞬变事宜。
众所周知，汽车、工业和通信环境中的运用会经受有潜在危害的事宜，对下贱电子器件造成严重破坏，但浪涌事宜并不但是在这些环境下发生。
其他可能须要浪涌保护电路的情形包括：须要高压或大电流电源的运用、采取热插拔电源连接的运用，或者包含电机或可能受到雷击感应瞬变影响的系统。
高压事宜持续的韶光不等，从几微秒到几百毫秒都有可能，以是必须采取灵巧可靠的保护机制来确保下贱本钱高昂的电子器件的利用寿命。

例如，当互换发电机（为电池充电）与电池暂时断开时，会发生汽车负载突降。
发生这种断开后，互换发电机供应的满负荷充电电流会传输至电源轨，使电源轨电压在数百毫秒内攀升到极高(>100 V)水平。

有多种缘故原由可能导致通信运用发生浪涌，从热插拔通信卡到可能受到雷电影响的户外装置，涉及多种运用。
大型举动步伐中利用的长电缆也可能产生感应电压尖峰。

终极，设计职员必须充分理解器件的利用环境，并知足既有的规范哀求，这有助于他们综合考虑所有故障类型以采取最佳的保护机制，使其可靠且不会产生滋扰，但许可下贱电子器件能够在安全电压范围内运行，且担保最低中断。

传统保护电路

在须要考虑如此多种不同类型的电子问题的情形下，电子工程师应如何保护敏感的下贱电子器件？

传统保护方法基于多个器件供应保护，而不是基于一个，例如，采取瞬变电压抑制器(TVS)供应过压保护，采取线路保险丝供应过流保护，采取串联二极管供应反向电池/电源保护，以及稠浊利用电容和电感来过滤更低的电能尖峰。
虽然离散配置可以知足既定的规范哀求（保护下贱电路），但它履行起来很麻烦，须要进行多次选择来确定得当的滤波规格。

图2.传统保护器件

我们来仔细理解一下这些器件，弄清楚这种履行方法的优点和缺陷。

TVS——瞬变电压抑制器

这是一种相对大略的器件，可以保护下贱电路不受电源上的高压尖峰影响。
它们可以分为几种不同的类型，具有广泛的特性（表1按相应韶光从最短到最长的顺序排列）。

表1.不同瞬变电压抑制器件的相应韶光

虽然它们的构造和特性互异，但利用办法是相似的：当电压超过器件阈值时，分流多余的电流。
TVS可以在极短韶光内将输出电压固定在额定水平。
例如，TVS二极管的相应韶光可以低至皮秒，GDT的相应韶光则可能有几微秒，但可以处理更大的浪涌。

图3显示了用于保护下贱电路的TVS二极管的大略配置。
在正常事情条件下，TVS具有高阻抗，输入电压会直接传输至输出。
当输入端涌现过压时，TVS开始导电，并将多余的电能分流到接地(GND)，从而箝位下贱负载电压。
电源轨电压升高到范例操作值以上，但被箝位到担保下贱电路可以安全运行的值。

虽然TVS器件在抑制极高电压偏移方面很有效，但在遭受持续过压时，也不能避免破坏，因此须要定期监测或改换。
另一个担心是TVS可能短路，导致输入电源断开。
此外，根据涉及的电能大小，它们的尺寸可能须要很大才能知足裕量哀求，导致办理方案的尺寸相应增大。
纵然TVS的尺寸精确，下贱电路也必须要能够处理箝位电压，对下贱的电压额定哀求也随之增高。

图3.用传统的TVS办理方案保护电压浪涌

线路保险丝

过流保护可以利用常见的线路保险丝实现，其熔断额定值高于标称值，例如，比最大额定电流高20%（百分比取决于电路类型以及预期的范例操作负载）。
当然，保险丝最大的问题是一旦烧断就必须改换。
保险丝设计相称大略，但掩护相对繁芜，特殊是在难以打仗的位置，所往后期还是会耗费韶光和本钱。
利用备用保险丝（例如可复位保险丝）可以减少掩护哀求，它会在高于标称电流的电流流经器件时，利用正温度系数打开电路（电流增高之后会令温度增高，导致电阻急剧升高）。

除掩护问题外，保险丝最大的问题之一是其反应韶光，根据所选保险丝的类型，反应韶光可能有很大差异。
我们可以利用快速熔断保险丝，但熔断韶光（打开电路的韶光）仍旧可能须要几百微秒到毫秒，以是电路设计职员必须考虑这些韶光段内开释的电能大小，担保下贱电子器件不被破坏。

串联二极管

在某些环境中，电路可能断开，然后重新连接——例如，在电池供电环境中。
在这种情形下，电源重新连接时不能担保极性是精确的。
我们可以通过在电路的正极供电线上增加一个串联二极管来实现极性保护。
虽然这种大略的增加可以有效防止反向极性，但串联二极管的压降会导致相应的功率损耗。
在电流相对较低的电路中，这种取舍很小，但对付许多当代化的高电流电轨，则须要采取另一种办理方案。
图4是对图3的更新，显示利用TVS和增加的串联二极管来防止涌现反向极性连接。

图4.增加串联二极管可以防止反向极性连接，但在大电流系统中，二极管的压降可能是一大问题

利用电感和电容的滤波器

目前所谈论的无源办理方案都是通过限定幅度，但常日只能捕捉更大的幅度，会放过更小的一些尖峰。
这些较小的瞬变仍旧会对下贱电路造成破坏，因此须要利用额外的无源滤波器来平缓尖峰。
这可以通过利用离散电感和电容来实现，通过调度它们的尺寸，让它们衰减超出频率范围的电压。
在设计之前，须要对滤波器设计进行测试和丈量，确定它们的尺寸和频率，然后才能精确确定滤波器的尺寸。
这种方法的缺陷在于，须要考虑物料本钱和面积哀求（元器件的板面积和本钱要达到多少才能达到滤波水平），以及是否须要过度设计（确定元器件的公差，以能够在随韶光和温度变革时供应补偿）。

利用浪涌抑制器供应有源保护

要战胜所述的无源保护办理方案面临的寻衅和存在的缺陷，方法之一是转为利用浪涌抑制器IC。
浪涌抑制器采取易于利用的掌握器IC和串联N通道MOSFET，因此无需利用繁杂的分流电路（TVS器件、保险丝、电感和电容）。
由于只需确定少数几个元器件的尺寸和让它们通过质量认证，以是浪涌抑制器掌握器可以极大地简化系统设计。

浪涌抑制器持续监测输入电压和电流。
在额定事情条件下，掌握器驱动N通道MOSFET通路器件的栅极完备开启，供应一条从输入到输出的低阻抗路径。
在发生过压或浪涌时（阈值由输出真个反馈网络给出），IC调节N通道MOSFET的栅极，将MOSFET的输出电压箝位到电阻分压器设定的电平。

图5显示了浪涌抑制器配置的简化示意图，以及标称12 V电源轨上涌现100 V输入浪涌时的结果。
在浪涌发生期间，浪涌抑制器电路的输出被箝位到27 V。
一些浪涌抑制器也利用串联感应电阻（图5中的断路器）来监测过流情形，并调度N通道MOSFET的栅极，以限定输出负载真个电流。

图5.浪涌抑制器配置的详细示意图

根据对过压事宜的相应，可以将浪涌抑制器分为四大类：

► 线性浪涌抑制器

► 栅极箝位

► 开关浪涌抑制器

► 输出断开保护掌握器

浪涌抑制器应基于运用进行选择，以是，我们来比较一下它们的操作和优点。

浪涌抑制器类型：线性

线性浪涌抑制器驱动串联MOSFET的办法和线性稳压器比较类似，是将输出电压限定在预先设置的安全值，并耗散MOSFET中的多余能量。
为了保护MOSFET，该器件通过采取电容故障定时器来限定在高耗散区花费的韶光。

图6.LT4363线性浪涌抑制器

浪涌抑制器类型：栅极箝位

栅极箝位浪涌抑制器利用内部或外部箝位（例如，31.5 V或50 V内部箝位，或可调的外部箝位）将栅极引脚的电压限定到这个电压值，然后，由MOSFET的阈值电压决定输出电压限值。
例如，在利用内部31.5 V栅极箝位，且MOSFET阈值电压为5 V时，输出电压限定为26.5 V。
或者，外部栅极箝位许可更广泛的电压选择范围。
栅极箝位浪涌抑制器的示例如图7所示。

图7.LTC4380栅极箝位浪涌抑制器。

浪涌抑制器类型：开关

对付更高功率的运用，开关浪涌抑制器是一个很好的选择。
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操作条件下可以充分增强调度FET，以在输入和输出之间供应一个低阻路径（最小化功率损耗）。
开关浪涌抑制器和线性或栅极箝位浪涌抑制器之间的紧张差异涌如今检测到浪涌事宜时。
在浪涌事宜中，开关浪涌抑制器是通过开关外部MOSFET（比较类似于开关DC-DC转换器），将输出调节到箝位电压。

图8.LTC7860开关浪涌抑制器

保护掌握器：输出断开

保护掌握器不是真正的浪涌抑制器，但它确实能停滞浪涌。
和浪涌抑制器一样，保护掌握器监测过压和过流条件，但它不会箝位或调节输出，而是通过立即断开输出来保护下贱电子器件。
这种大略保护电路的布局紧凑，非常适宜由电池供电的便携式运用。
LTC4368保护掌握器的简化示意图，以及它对过压事宜的相应如图9所示。
保护掌握器有许多版本。

图9.LTC4368保护掌握器

保护掌握器会监测输入电压，确保电压保持在OV/UV引脚的电阻分压器所配置的电压范围内，当输入电压超过这个范围时，利用背对背MOSFET断开输出，如图9所示。
背对背MOSFET也可用于防止反向输入。
输出真个感应电阻通过持续监测正向电流来实现过流保护，但不须要基于计时器的穿越操作。

浪涌抑制器特性

为了给您的运用选择最得当的浪涌抑制器，您须要知道有哪些可用特性，以及它们可以帮助办理哪些寻衅。
您可以在参数表中查找这些器件。

断开与穿越

一些运用哀求在检测到浪涌事宜时断开输出和输入的连接。
在这种情形下，须要断开过压连接。
如果您须要输出在浪涌事宜发生时保持正常运行，从而最大限度减少下贱电子设备的停机韶光，则须要浪涌抑制器在发生浪涌时进行穿越。
在这种情形下，利用线性或开关浪涌抑制器可以实现这一功能（条件是，对付拓扑和所选的FET，功率电平是合理的）。

故障定时器

履行穿越时，须要对MOSFET供应保护，以防它受到持续浪涌影响。
为了确保留在FET的安全事情区(SOA)内，可以利用定时器。
定时器实质上是一个接地电容。
发生过压时，内部电流源开始为这个外部电容充电。
电容达到一定的阈值电压时，数字故障引脚拉低，表明受韶光延长的过压影响，调度管将很快关闭。
如果定时器引脚电压连续上升到二级阈值，栅极引脚将拉低，以关闭MOSFET。

定时器电压的变革率随通过MOSFET的电压而变革，也便是说，电压越大，韶光越短，电压越小，韶光越长。
这个有用特性使器件能够平稳度过短时过压事宜，许可下贱元器件保持运行，同时保护MOSFET不因持续韶光更长的过压事宜涌现破坏。
有些器件具有重试功能，使器件能在冷却之后再次打开输出。

过流保护

许多浪涌抑制器都能够监测电流和保护器件不受过流事宜影响。
这是通过监测串联感应电阻上的压降并作出适当相应来实现的。
也可以通过监测和掌握浪涌电流来保护MOSFET。
其相应可能与过压情形类似，这是由于如果电路能够接管这种功率电平，那么它要么通过闩锁断开，要么通过穿越事宜来断开。

反向输入保护

浪涌抑制用具有广泛的操作能力（能够承受某些器件上高达60 V的地下电压），以是能够供应反向输入保护。
图10显示了供应反向电流保护的背对背MOSFET配置。
在正常运行期间，Q2和Q1由栅极引脚开启，Q3不产生任何影响。
但是，涌现反向电压连接时，Q3开启，将Q2的栅极下拉至负输入并隔离Q1，以保护输出。

也可以通过可靠的器件引脚保护来实现反向输出电压保护，根据所选的器件，可以承受高达20 V的接地电压。

图10.LT4363反向输入保护电路

对付须要宽输入电压范围的运用，可以利用浮动拓扑浪涌抑制器。
发生浪涌事宜时，浪涌抑制器IC会监控全体浪涌电压，由内部晶体管技能限定IC的电压范围。
利用浮动浪涌抑制器（例如LTC4366）时，IC浮动刚好低于输出电压，为其供应更广泛的事情电压范围。
电源回流线中包含一个电阻(VSS)，许可IC随电源电压浮动。
如此，由外部元器件和MOSFET的电压功能设置输入电压限值。
图11显示的运用电路可以在保护后端负载时，利用极高的直流电源正常运行。

图11.LTC4366高压浮动拓扑

为我的运用选择精确的器件

由于浪涌抑制器本身采取可靠设计，以是能从很多方面简化保护电路的设计。
数据手册已显示许多可能的运用，在确定元器件尺寸时，能够供应很大帮助。
最困难的部分可能是选择最得当的器件。
您可以遵照以下几个步骤来缩小范围：

► 访问ADI的保护器件系列参数表。

► 选择输入电压范围。

► 选择通道数量。

► 筛选功能，缩小可行选项的范围。

和所有产品选型一样，在查找精确的器件前，您须要理解您的系统哀求，这点非常主要。
一些主要的考虑成分包括：预期的电源电压和下贱电子器件的电压容限（在决定箝位电压时非常主要），以及对设计而言非常主要的一些特性。

以下是一些经由筛选的参数表示例，供大家参考。
大家可以访问网站，在网站上进一步变动这些参数表，可以添加一些其他参数。

► 高压浪涌抑制器器件请拜会这里。

► 具有过压断开功能的保护掌握器请拜会这里。

结论