【導(dǎo)讀】在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，電源異常情況往往成為電路穩(wěn)定運(yùn)行的"隱形殺手"。當(dāng)24V電源被誤接到12V系統(tǒng)，或是在接線時(shí)意外將電源極性反接，這些看似低概率的事件一旦發(fā)生，就可能導(dǎo)致整個(gè)電路板的永久性損壞。特別是在工業(yè)控制、汽車(chē)電子等復(fù)雜工作環(huán)境中，電源電壓瞬變現(xiàn)象更為常見(jiàn)，甚至可能出現(xiàn)電壓跌落至負(fù)值的情況。如何為敏感電子元器件構(gòu)建可靠的保護(hù)屏障，確保系統(tǒng)在電源異常時(shí)仍能安然無(wú)恙，已成為每一位電子工程師必須重視的關(guān)鍵課題。
在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，電源異常情況往往成為電路穩(wěn)定運(yùn)行的"隱形殺手"。當(dāng)24V電源被誤接到12V系統(tǒng)，或是在接線時(shí)意外將電源極性反接，這些看似低概率的事件一旦發(fā)生，就可能導(dǎo)致整個(gè)電路板的永久性損壞。特別是在工業(yè)控制、汽車(chē)電子等復(fù)雜工作環(huán)境中，電源電壓瞬變現(xiàn)象更為常見(jiàn)，甚至可能出現(xiàn)電壓跌落至負(fù)值的情況。如何為敏感電子元器件構(gòu)建可靠的保護(hù)屏障，確保系統(tǒng)在電源異常時(shí)仍能安然無(wú)恙，已成為每一位電子工程師必須重視的關(guān)鍵課題。
為了隔離負(fù)電源電壓，設(shè)計(jì)人員慣常的做法是布設(shè)一個(gè)與電源相串聯(lián)的功率二極管或 P 溝道 MOSFET。然而——
二極管既占用寶貴的板級(jí)空間，又會(huì)在高負(fù)載電流下消耗大量的功率。 P 溝道 MOSFET 的功耗雖然低于串聯(lián)二極管，但 MOSFET 以及所需的驅(qū)動(dòng)電路將導(dǎo)致成本增加。
這兩種解決方案均犧牲了低電源操作性能，尤其是串聯(lián)二極管。而且，兩種方法都沒(méi)有提供針對(duì)過(guò)高電壓的保護(hù) —— 這種保護(hù)需要更多的電路，包括一個(gè)高電壓窗口比較器和充電泵。
欠壓、過(guò)壓和電源反向保護(hù)
LTC4365是一款獨(dú)特的解決方案，可精巧和穩(wěn)健地保護(hù)敏感電路免遭意料之外的高電源電壓或負(fù)電源電壓。LTC4365 能隔離高達(dá) 60V 的正電壓和低至 –40V 的負(fù)電壓。只有處于安全工作電源范圍之內(nèi)的電壓被傳送至負(fù)載。僅需的外部有源組件是一個(gè)連接在不可預(yù)知的電源與敏感負(fù)載之間的雙路N溝道MOSFET。
圖 1 示出了一款完整的應(yīng)用電路。一個(gè)阻性分壓器負(fù)責(zé)設(shè)定用于負(fù)載與VIN連接 / 斷接的過(guò)壓(OV)和欠壓 (UV) 跳變點(diǎn)。如果輸入電源漂移至該電壓窗口之外，則LTC4365 將迅速把負(fù)載與電源斷接。
圖 1：完整的 12V 汽車(chē)欠壓、過(guò)壓及電源反向保護(hù)電路
雙路 N 溝道 MOSFET 負(fù)責(zé)在 VIN 上隔離正電壓和負(fù)電壓。在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)作期間，LTC4365 為外部 MOSFET 的 柵極提供了增強(qiáng)的 8.4V。LTC4365 的有效工作范圍從低至2.5V到高達(dá)34V —— OV和UV窗口可介于此范圍之內(nèi)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，無(wú)需在 VIN 上設(shè)置保護(hù)性箝位電路，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)。
準(zhǔn)確和快速的過(guò)壓及欠壓保護(hù)
LTC4365 中兩個(gè)準(zhǔn)確 (±1.5%) 的比較器用于監(jiān)視 VIN上的過(guò)壓 (OV) 和欠壓 (UV) 狀況。如果輸入電壓分別升至 OV 門(mén)限以上或降至 UV 門(mén)限以下，則外部 MOSFET 的柵極將快速關(guān)斷。外部阻性分壓器允許用戶選擇一個(gè)與 VOUT 上的負(fù)載相兼容的輸入電源范圍。此外，UV 和 OV 輸入還具有非常低的漏電流 (在 100°C 時(shí)通常 <1nA)，因而可在外部阻性分壓器中提供大的電流值。
圖 2 示出了圖 1 電路中的 VIN 從 –30V 緩慢斜坡上升至 30V 時(shí)做出的反應(yīng)。UV 和 OV 門(mén)限被分別設(shè)定為 3.5V 和 18V。當(dāng)電源電壓位于 3.5V 至 18V 窗口之內(nèi)時(shí)， VOUT 跟隨 VIN。若超出該窗口時(shí)，LTC4365 將 關(guān)斷 N 溝道 MOSFET，并使 VOUT 與 VIN 斷接，即使在VIN為負(fù)值的情況下也不例外。
圖 2：當(dāng) VIN 從 –30V上升至 30V 時(shí)的負(fù)載保護(hù)
新穎的電源反向保護(hù)
LTC4365 運(yùn)用了一種新穎的負(fù)電源保護(hù)電路。當(dāng) LTC4365 在 VIN 上檢測(cè)到負(fù)電壓，它迅速將 GATE 引 腳連接至 VIN。在 GATE 與 VIN 電壓之間沒(méi)有二極管壓降。當(dāng)外部 N 溝道 MOSFET 的柵極處于最負(fù)電位 (VIN)時(shí)，從VOUT至VIN上負(fù)電壓的漏電流極小。
圖 3 示出了當(dāng) VIN 帶電插入至 –20V 時(shí)出現(xiàn)的狀況。在連接的前一刻，VIN、VOUT 和 GATE 以地電位為起始點(diǎn)。由于 VIN 和 GATE 連接線的寄生電感之原因，VIN 和 GATE 引腳上的電壓將顯著地變至 –20V 以下。外部 MOSFET 必須具有一個(gè)可安全承受該過(guò) 沖的擊穿電壓指標(biāo)。
圖 3：從 VIN 至 –20V 的熱插拔保護(hù)
顯然，LTC4365 反向保護(hù)電路的動(dòng)作速度取決于 GATE 引腳在負(fù)電壓瞬變期間跟隨 VIN 的緊密程度。在所示的標(biāo)度上，兩者的波形幾乎無(wú)法區(qū)分。請(qǐng)注意，提供反向保護(hù)并不需要其他外部電路。
還有更多功能！
AC 隔離、VOUT 通電時(shí)的反向 VIN 熱插拔 (Hot Swap?) 控制 在出現(xiàn) OV 或 UV 故障之后 (或當(dāng) VIN 變至負(fù)值時(shí))，輸入電源必須返回有效的工作電壓窗口并持續(xù)至少 36ms 以重新接通外部 MOSFET。這將有效地隔離 50Hz和60Hz的未整流AC 電源。
另外，LTC4365 還針對(duì)負(fù) VIN 連接提供了保護(hù)作用，即使在 VOUT 由一個(gè)單獨(dú)的電源驅(qū)動(dòng)時(shí)也是如此。只要不超過(guò)外部 MOSFET 的擊穿電壓 (60V)，那么 VIN上的極性反接就不會(huì)對(duì)VOUT 上的20V電源造成影響。
結(jié)論
通過(guò)采用背對(duì)背 MOSFET (而并未使用二極管)， LTC4365 控制器為敏感電路提供了過(guò)壓、欠壓和電源 反接的保護(hù)作用。電源電壓只有在合格通過(guò)可由用戶調(diào)節(jié)的 UV 和 OV 跳變門(mén)限時(shí)才能傳送至輸出端。任何超出該窗口的電壓都被隔離，保護(hù)范圍可高達(dá) 60V和低至–40V。
LTC4365的新穎架構(gòu)造就了一款外部組件極少的堅(jiān)固型小尺寸解決方案，并可提供纖巧型 8 引腳 3mm x 2mm DFN 和 TSOT-23 封裝。LTC4365 具有一個(gè) 2.5V 至34V的寬工作范圍，停機(jī)期間僅消耗10μA。
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