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作者:Alan Yang,来源:得捷电子DigiKey

在汽车、工业、通信和航空等领域,电路系统不可避免地要在一系列恶劣的环境下工作,如过电压、过电流、浪涌事件。本文将阐述:电路保护存在哪些挑战,以及如何应对这些挑战。

电路保护的挑战

我们想象中的供电电压波形可能是一条平的直线,没有起伏,而现实中的电压波形可能存在非常大的起伏。以汽车电子举例,以下情况均会引起电压很大的波动:

汽车电子应用中,可能遇到的电路保护挑战

图1:汽车电子应用中,可能遇到的电路保护挑战(图片来源:ADI)

电压

理想中地电压波形对比现实中地电压波形

图2:理想中地电压波形对比现实中地电压波形(图片来源:ADI)
 
在ISO 7637-2和ISO 16750-2规范中,详细描述了汽车行业的瞬态事件,以及如何测试。

应对电路保护挑战的方案有许多种,可以通过被动保护器件,如TVS管、保险丝等加以保护,也可以通过主动浪涌抑制器来加以保护。

被动保护器件

下图是典型的传统电路保护方案:

典型地传统电路保护保护方案

图3:典型地传统电路保护保护方案(图片来源:ADI)

 当输入电压过高,可以使用瞬态电压抑制器件,如瞬态抑制二极管(TVS),把过多的能量传导到地。当电流过大,可以串联保险丝,过大地电流会使保险丝熔断,从而保护电路。

  • 瞬态电压抑制器件

它们结构和特性有一定的区别,但都有类似的工作方式:当电压超过器件阈值时,分流多余的电流。

通过TVS解决浪涌原理

图4:通过TVS解决浪涌原理(图片来源:ADI)
 
当输入端出现过电压情况时,TVS导通,并通过将多余的能量分流到地(GND),来保护电路免受过压的危险。

不同瞬态电压抑制器件具有不同的响应时间:

不同瞬态电压抑制器件具有不同的响应时间

尽管TVS装置能有效地抑制非常高的电压偏移,但当面临持续的过电压事件时,它们不能免受损坏,因此需要定期监测或更换装置。而GDT的响应时间可能只有几微秒,但可以处理更大的浪涌。

  • 过流保护元件

串联保险丝,当电路电流过大时,会使保险丝熔断,从而保护电路。但保险丝同时也带来了维护更换的问题。解决这个问题,也可使用可复位保险丝(PTC)降低维护要求。

可复位保险丝可以看成一个正温度系数地电阻,电流越大,自身发热越大,导致自身电阻急剧增加,从而达到抑制电流的效果。

可复位保险丝

保险丝熔断时间是一个重要的参数,在Digi-Key网站可以根据响应时间快、中、慢来选择合适地保险丝。

根据保险丝熔断时间进行选型

图5:根据保险丝熔断时间进行选型

保险丝响应时间不是越快越好,如一些电机应用,启动电流可能非常大,导致在启动阶段误操作,烧坏了保险丝。同样在更换保险丝的时候,需要注意,更换保险丝的响应时间最好和之前使用地保险丝一致,否则可能会有意想不到风险。

当然被动保护器件不止几种,也可以使用二极管来应对反极性连接的问题,或者通过电容电感构成的滤波器来解决较小的瞬态电流电脑。这些方法非常直观,同时也面临一些问题,比如面对较大的瞬态电压电流,需要大体积得被动过保护器件,并且可能需要维护。

  • 主动保护器件:浪涌抑制器

主动保护器件用得好,可以大大减少保护元器件的占地空间,并解决可能的维护困难的问题。

主动浪涌抑制器有很多种类,可以根据开关放在芯片外面还是集成在芯片里面分分为:

  1. 内部开关浪涌抑制器
  2. 外部开关浪涌抑制器

常见的应用拓扑结构,包括以下几种:

  • 浪涌抑制器:线性

浪涌抑制器的保护原理类似于线性稳压器。如下图,浪涌抑制器监测输入电压和电流。保护阈值由连接输出端的反馈网络决定。通过调节N沟道MOS管栅极,从而将MOS管输出电压钳制在相应的范围。

浪涌抑制器:线性

图6:浪涌抑制器:线性(图片来源:ADI)

同时为了保护MOS管,一般通过一个电容故障定时器(TMR)来限制MOS管在高损耗区花费的时间。定时器本质上是一个对地电容器。当发生过电压情况时,内部电流源开始给外部电容充电。一旦这个电容达到一定的阈值电压,关闭MOS管。

对于过流保护,如上图,一般通过一个电流检测电阻来监测。当过流情况出现,通过调节MOS管栅极来保证电流在限制范围之内。

→ 典型芯片:LT4363

  • 浪涌抑制器:开关

对于高功率应用,开关浪涌抑制器是一个不错的选择。其原理与开关电源、DC-DC转换器类似。阈值由输出端的反馈网络决定,通过调节N沟道MOS管栅极,将MOS管的输出电压钳制在电阻分压器设置的电平。

浪涌抑制器:开关

图7:浪涌抑制器:开关(图片来源:ADI)

与线性浪涌抑制器一样,它也用一个故障定时器(TMR),来保护MOS管。上图的绿线是电容上的累积电压,我们可以看到,这个电压随着浪涌的出现开始累积,直至浪涌结束开始释放。

→ 典型芯片:LTC7860

  • 浪涌抑制器:门限电压

这种浪涌抑制器的阈值,不由输入电压与反馈网络决定。而是通过设置内部钳位电压(也可以外加一个肖特基二极管来设置钳位电压),来限制住MOS管栅极电压。而MOS管的阈值电压决定输出电压极限。

浪涌抑制器:门限电压

图8:浪涌抑制器:门限电压(图片来源:ADI)

例如,使用内部31.5V的栅极钳位和5V的MOS管阈值电压,输出电压被限制为26.5V。
 
→ 典型芯片:LTC4380

  • 保护控制器:输出断开

与浪涌抑制器一样,监测过输入电压和电流的情况,但他不是钳制或调节输出,而是立即断开输出以保护下游电子设备。这种简单的保护电路可以有一个非常紧凑的封装,适合电池供电,便携式设备等应用领域。
保护控制器:输出断开

图9:保护控制器:输出断开(图片来源:ADI)
 
如上图,保护控制器通过分压电阻来监测输入电压,形成一个从UV到OV地电压窗口。当输入电压超出电压窗口范围,马上通过MOS管断开输出。

如上图,该方案使用背靠背MOS管,可以有效防止电压地反向输入。输出端的电流检测电阻,通过持续监测正向电流来实现过电流保护功能。

→ 典型芯片:LTC4368

本文小结

电路保护有各式各样种,我们将他们的类型和特性总结如下:

  • 被动保护器件

被动保护器件

  • 主动浪涌抑制器

主动浪涌抑制器

如果想最大限度地减少下游电子设备的停机时间,可以重点关注一下线性型或者开关型浪涌抑制器。

当然,对应地电路保护器件不止这些。最重要的是,首先要了解你的项目中可能会出现的过电压、过电流、浪涌等各种潜在的危险情况,然后再根据项目具体的要求——如可靠性、反应速度、产品尺寸等要求——对症下药,合理选择合适的电路保护方案,这样才能事半功倍。

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