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如何为您的电路选择正确的保护措施？

From -互联网Author -互联网 Monday, May 10, 2021

各行各业的制造商不断努力提高尖端性能，同时力求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。一个子系统，特别是电子保护装置，由于其性质而拒绝创新。这些系统保护敏感和昂贵的下游的电子设备（的FPGA，ASIC和微处理器），因此需要零故障率。

许多传统的和历史证明的保护方法（例如二极管、保险丝和电视设备）都保持了其正常工作状态，尽管这些方法通常效率低、体积大且需要维护。为了解决这些不足，有源智能保护IC已经证明它们能够满足传统方法的保护要求，但在许多方面它们更加坚固。由于设备种类繁多，设计者最困难的问题就是简单地选择合适的解决方案。为了帮助设计者缩小选择范围，本文对传统的保护方法进行了比较。

为什么要考虑电压和电流保护设备？

所有行业中使用的电子设备数量的增加，以及昂贵的FPGA和处理器所处理功能的扩展，都增加了保护这些设备免受其恶劣工作环境影响的需求。除此之外，还需要小尺寸，高可靠性以及对过电压和过电流浪涌事件的快速响应的需求。让我们看一下挑战和传统保护方法，并将它们与提供更好的准确性，可靠性和设计灵活性的更新的替代解决方案进行比较。

汽车、工业、通信和航空电子系统必须通过一系列的功率操作-供应浪涌（图1）。在每个这些市场中，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细节和测试程序，以确保对这些瞬变进行持续验证。

图1.一些更严格的ISO 16750-2测试的概述。

电涌事件的类型及其能量含量可能会根据使用电子设备的区域而有所不同。电路可被暴露于过压、过流、反向-电压和反向-电流条件。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，更不用说运行了。因此，设计人员必须考虑所有输入事件并实施保护机制，以保护电路免受这些电压和电流浪涌的影响。

设计挑战

电子系统中存在许多不同的瞬态电压和电流浪涌原因，但是某些电子环境比其他环境更容易发生瞬态事件。众所周知，基于汽车，工业和通信环境的应用程序会遇到潜在的有害事件，给下游电子设备造成严重破坏。但是，电涌事件并不仅限于这些环境。

浪涌保护电路的其他可能选择包括需要高压或大电流电源的任何应用，或具有热插拔电源连接功能的应用，或具有电机或可能遭受雷击引起的瞬变的系统。高-电压事件可以发生在宽范围的时基，从微秒到几百毫秒，因此灵活可靠的保护机制是必要的，以确保下游昂贵的电子设备的寿命。

例如，当交流发电机（为电池充电）暂时从电池上断开时，可能会发生汽车甩负荷。这种断开的结果是，来自交流发电机的满充电电流被放置在电源线上，这会在数百毫秒内将电源电压升高到很高的水平（ > 100 V ）。

通信应用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户外安装。大型设施中使用的长电缆也有可能出现感应性电压尖峰。

最终，在满足公布的规格的同时，还必须了解设备必须在其中运行的环境。这有助于设计者建立一个最佳的保护机制，既坚固又不显眼，但允许下游的电子装置在安全电压水平内运行，并尽量减少中断。

传统保护电路

考虑到这么多不同类型的电气事件，在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？

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有什么来保护敏感的下游电子产品呢？

传统的保护实现依赖于几个设备，而不是只有一个。例如，用于过压保护的瞬态电压抑制器（TVS），用于过流保护的在线保险丝，用于电池/电源反向保护的串联二极管，以及用于滤除低能量尖峰的电容和电感的混合器件（图2）。虽然离散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，需要多次选择迭代以正确确定滤波的大小。

图2.传统保护装置。

让我们仔细看看这些设备中的每一个，触及这种实现方式的优点和缺点。

瞬态电压抑制器

TVS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。它可以分成几种不同的类型，这些类型具有广泛的特性（下表按响应时间从小到大排列）。

尽管这些产品有一系列的结构和特性，但它们都以类似的方式运作。当电压超过设备的阈值时，分流多余的电流。TVS在很短的时间内将输出端电压箝制在额定水平。例如，一个TVS二极管可以在低至皮秒的时间内作出反应，而气体放电管（GDT）可能需要几微秒的时间来作出反应，但能够处理更大的浪涌。

图3显示了一个保护下游电路的TVS二极管的简单实现。在正常工作条件下，TVS是高阻抗的，输入电压简单地传递到输出。当输入端出现过压情况时，TVS变得导电，并通过将多余的能量分流到地（GND）来作出反应，箝制下游负载看到的电压。轨电压上升到典型的操作值以上，但对于任何下游电路来说，被钳制在一个安全水平的数值。

图3.使用传统的TVS解决方案防止电涌。

尽管TVS器件能有效地抑制非常高的电压偏移，但在面临持续的过电压事件时，它们也不能避免损坏，从而导致需要定期监测或更换器件。另一个问题是，TVS可能会出现短路故障，从而撬动了输入电源。

此外，根据所涉及的能量，它们在物理上可能很大，需要与余量相匹配，增加了解决方案的尺寸。即使TVS的尺寸正确，下游电路也必须能够处理钳制的电压，导致下游电压等级要求增加。

在线式熔断器

过流保护可以使用无处不在的在线保险丝来实现，其熔断额定值比额定值高一些--例如，比最大额定电流高20%（该百分比取决于电路类型以及预期的典型操作负载）。当然，保险丝最大的问题是，它们一旦熔断就必须被更换。

保险丝的简单设计所带来的时间和成本节约可能会因为相对复杂的维护工作而在日后产生，特别是当应用在物理上难以达到时。使用替代性保险丝可以降低维护要求，例如可复位保险丝，它利用正温度系数，在大于正常电流通过设备时打开电路（电流水平的增加会提高温度，导致电阻急剧增加）。

撇开维护问题不谈，保险丝最大的问题之一是其反应时间，这可能会因所选保险丝的类型而有很大差异。有快速熔断的保险丝，但清零时间（打开电路的时间）仍然可以从数百微秒到数毫秒不等。因此，电路设计者必须考虑在这些延长的时间内所释放的能量，以确保下游电子设备能够存活。

串联二极管

在某些环境中，电路容易遭受电源断开和重新连接的影响，例如在电池供电的环境中。在这种情况下，重新连接电源时不能保证正确的极性。

极性保护可以通过在电路的正电源线上添加一个串联二极管来实现。尽管这种简单的添加可以有效地防止极性反接，但是串联二极管的电压降会导致相应的功耗。在电流相对较低的电路中，折衷最小，但是对于许多现代的高电流轨，则需要替代解决方案。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极性反接，但是在大电流系统中，二极管的压降可能会成为问题。

使用电感和电容的过滤器

到目前为止所讨论的无源解决方案都限制了通过的事件的振幅，但它们通常会捕获较大的事件，而留下一些较小的尖峰通过。这些较小的瞬态仍然会对下游电路造成损害，因此需要额外的无源滤波器来清洁线路。这可以通过使用分立电感器和电容器来实现，其大小必须能衰减不需要的频率的电压。

滤波器的设计需要在设计前进行测试和测量，以确定尺寸和频率，然后才能正确确定滤波器的尺寸。这种途径的缺点是BOM的成本和不动产的要求--为达到滤波水平所需的电路板面积和元件的成本--以及需要过度设计，这意味着对元件的公差进行评级，以补偿随时间和温度的变化。

使用电涌保护器的主动保护

克服上述无源保护解决方案的挑战和缺点的方法之一是利用浪涌阻断器IC。浪涌抑制器通过一个控制器IC和一个串联的N沟道MOSFET消除了对庞大的分流电路（TVS器件、保险丝、电感器和电容器）的需求。电涌止动器控制器可以大大简化系统设计，因为需要确定尺寸和合格的元件很少。

浪涌抑制器持续监测输入电压和电流。在额定工作条件下，控制器驱动N沟道MOSFET通过器件的栅极完全打开，提供一个从输入到输出的低电阻路径。当过压或浪涌情况发生时--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的输出电压钳制在由电阻分压器设定的水平上。

图5显示了浪涌抑制器实施的简化原理图，以及标称12-V轨道上100V输入浪涌的结果。在浪涌事件的持续时间内，浪涌抑制器电路的输出被钳制在27V。一些浪涌抑制器还使用一个串联感应电阻（图5中的断路器）监测过流情况，并调整N沟道MOSFET的栅极，以限制呈现给输出负载的电流。

图5.浪涌抑制器实现的高级示意图。

浪涌抑制器有四种类型，按其对过电压事件的响应进行分类：

线性电涌保护器

闸门夹

开关型电涌保护器

输出断开保护控制器

电涌保护器的选择取决于应用，所以我们来比较一下它们的操作和优势。

线性电涌保护器

线性浪涌抑制器（图6）驱动串联MOSFET，很像一个线性稳压器，将输出电压限制在预先设定的安全值，将多余的能量耗散在MOSFET中。为了帮助保护MOSFET，该器件通过实施电容性故障定时器来限制在高耗散区域的时间。

图6. LT4363线性电涌保护器。

栅极钳制浪涌保护器

栅极钳制浪涌抑制器（图7）通过利用内部或外部钳制（例如，内部31.5V或50V，或可调节的外部钳制）将栅极引脚限制在这一电压。然后，MOSFET的阈值电压决定了输出电压的限制。例如，用一个内部31.5V的栅极钳和一个5V的MOSFET阈值电压，输出电压被限制在26.5V。另外，一个外部栅极钳允许选择更广泛的电压范围。

图7. LTC4380栅极钳位浪涌抑制器。

开关式电涌保护器

对于较高功率的应用，开关浪涌抑制器是一个不错的选择（图8）。与线性和门控浪涌抑制器一样，开关浪涌抑制器在正常工作情况下完全增强了通过FET，以便在输入和输出之间提供一个低电阻路径（最大限度地减少功率耗散）。

图8. LTC7860开关浪涌抑制器。

当检测到电涌事件时，开关式电涌保护器与线性或门控电涌保护器之间的主要区别就出现了。在发生电涌时，开关式电涌保护器的输出通过开关外部MOSFET调节到钳位电压，这与开关式DC-DC转换器非常相似。

保护控制器:输出断开

保护控制器并不是正式的电涌抑制器，但它确实能阻止电涌。像浪涌抑制器一样，保护控制器监测过压和过流情况，但保护控制器不是箝制或调节输出，而是立即断开输出以保护下游电子。

这种简单的保护电路可以有一个非常紧凑的尺寸，适用于电池操作的便携式应用。例如，图9显示了保护控制器（在本例中是LTC4368）的简化原理图，以及它对过压事件的响应。保护控制器有许多变体可供选择。

图9. LTC4368保护控制器。

保护控制器通过监测输入电压来确保其保持在由OV/UV引脚上的电阻分压器配置的电压窗口内，当输入超出该窗口时，通过背对背MOSFET断开输出（图9，再次）。背对背MOSFET也可以防止输入被逆转。输出端的感应电阻通过持续监测正向电流实现过流保护能力，但没有基于定时器的穿越操作。

电涌止动器的特点

要为您的应用选择最合适的浪涌保护器，您需要知道有哪些功能，以及它们帮助解决的挑战。这些设备可以在parametrictable上找到。

断开与穿越

一些应用要求在检测到浪涌事件时将输出与输入断开。在这种情况下，就需要过电压断开。如果你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，你将要求浪涌保护器穿越浪涌事件。在这种情况下，线性或开关式浪涌保护器可以实现这一功能（如果功率水平对所选的拓扑结构和FET来说是合理的）。

故障计时器

穿越操作需要为MOSFET提供一定的保护，以防持久性浪涌。保持在安全操作区域（SOA ）中在FET中，可以实现一个定时器。计时器本质上是接地电容。当发生过压情况时，内部电流源开始为该外部电容器充电。

一旦电容器达到一定的阈值电压，数字故障引脚就会拉低以指示传输晶体管将因扩展的过压条件而很快关闭。如果定时器引脚电压继续上升到次级阈值，则GATE引脚将拉低以关闭MOSFET。

计时器电压的变化率随MOSFET两端的电压而变化，也就是说，对于较大的电压，较短的计时器，对于较小的电压，较长的计时器。这项有用的功能使器件能够经受短暂的过压事件，从而使下游组件保持工作状态，同时保护MOSFET免受持续时间较长的过压事件的损害。某些设备具有重试功能，使设备可以在冷却时间过后再次打开输出。

过流保护

许多电涌制动器具有监视电流并防止过电流事件的能力。这是通过监视串联检测电阻两端的压降并做出适当响应来实现的。还可以监视和控制浪涌电流，以保护MOSFET。该响应可能类似于过压情况，因为它可以通过闭锁断开连接，也可以在电路可以处理功率水平的情况下穿越事件。

反向-输入保护

反向输入保护是可能的，因为浪涌止动装置的宽的工作能力（能够承受高达低于地电位60 V在某些设备上的）。图10显示了一个背到后面MOSFET实现的反向-电流保护。在正常工作期间，Q2和Q1通过GATE引脚导通，而Q3则没有任何影响。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。

图10.显示的是LT4363反向输入保护电路。

强大的器件引脚保护也可实现反向输出电压保护。下面接地电位高达20 V是可能的，取决于所选择的装置上。

对于要求宽输入电压范围的应用，可以使用浮动拓扑浪涌抑制器。当发生电涌事件时，电涌抑制器IC会看到完整的电涌电压。因此，内部晶体管技术限制了IC的电压范围。

使用浮动浪涌抑制器（例如LTC4366），IC浮动在输出电压以下，从而提供了更大的工作电压范围。在返回线（ V SS ）中放置了一个电阻，该电阻使IC随电源电压浮动。结果是由外部组件和MOSFET的电压能力设置的输入电压限制。图11显示了一个应用电路，该电路能够在很高的直流电源下工作，同时保护下游负载。

图11.这是LTC4366高压浮动拓扑。

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，使用浪涌抑制器可简化保护电路的设计。数据表可以极大地帮助您确定组件的大小，并且已经显示了许多可能的应用。最难的部分可能是选择最合适的设备。请按照以下几个步骤来缩小范围：

查阅保护参数表。

选择输入电压范围。

选择通道的数量。

筛选功能以缩小可能的选项。

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很重要。一些重要的考虑因素是预期的供电电压和下游电子设备的电压容限（对于确定钳位电压很重要），以及对设计很重要的任何特定功能。

下面列出了一些经过过滤的参数表示例，以供参考，这些示例可以在网站上进行进一步修改以包括其他一些参数：

高-电压浪涌-挡块装置可以找到这里。

具有OV断开功能的保护控制器可在此处找到。

无论采用哪种浪涌-限位器类型，基于IC的有源浪涌-限位器设计都无需使用笨重的TVS二极管或大型电感器和电容器来进行滤波。这导致总体上较小的面积和较小的轮廓解决方案。

输出电压钳位比TVS的精度更高，精度可达到1％至2％。这样可以防止过度设计，并允许选择公差更严格的下游设备。采用这种方法，可使设计人员为下游设备实现可靠，灵活和小尺寸的保护，尤其是那些面临严酷的过电压和过电流事件的设备，在许多基于工业、汽车、航空和通信的设计中都可能发生这种情况。

关键字：电路保护

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