3種新型保護器件的工作原理及在電路中的應(yīng)用設(shè)計

引言

評價開關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標(biāo)滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，必須設(shè)計多種保護電路，比如防浪涌的軟啟動，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路。

1 有源電磁干擾濾波器的原理與應(yīng)用

有源電磁干擾濾波器簡稱有源EMI 濾波器，它是把有源器件集成在微封裝的芯片中，專門用來抑制電磁干擾的濾波器。與傳統(tǒng)的無源EMI濾波器相比，有源EMI 濾波器不僅具有優(yōu)良的噪聲衰減特性，而且功能強大，有的還能實現(xiàn)熱插拔，可大大節(jié)省印制板（PCB）的空間，適用于電源及電子設(shè)備、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。

有源EMI 濾波器的典型產(chǎn)品有美國Vicor 公司生產(chǎn)的QPI（Quiet Power Input）系列，主要包括QPI－3L～QPI－6L，QPI－8L。QPI系列EMI 濾波器的產(chǎn)品分類見表1。其中，QPI－8L 屬于帶熱插拔（Hot-swap）功能的有源EMI濾波器。

1.1 QPI－8L型有源EMI濾波器的性能特點

QPI－8L符合直流48V或60V總線的要求，能對150 kHz～30MHz 的傳導(dǎo)噪聲（共模噪聲及差模噪聲）進行衰減，在250 kHz 時的共模噪聲衰減能力大于40dB，差模噪聲衰減能力大于70 dB。它能在80V直流電壓下連續(xù)工作，并能承受100V直流浪涌電壓，其對地絕緣電壓為1500V，最大工作電流為6A，最大負(fù)載為200W。與無源EMI濾波器相比，共模噪聲衰減能力可提高20dB，差模噪聲衰減能力可提高10～30dB。具有浪涌電流限制及斷路、可編程欠電壓/過電壓保護、電源電壓正常指示等功能。默認(rèn)的欠電壓閾值為34V（關(guān)斷時的滯后電壓為2V）；過電壓閾值為76V（關(guān)斷時的滯后電壓為4V）；利用外部分壓電阻還可改變欠電壓及過電壓的閾值。使用方便，具有熱插拔功能，允許帶電插入或拔下有源EMI 濾波器。滿載時的效率高于99%，特別適合濾除DC/DC 電源變換器的電磁干擾。利用廠家提供的QPI－EVAL1軟件，可以很方便地對安裝好的QPI－8L及終端設(shè)備進行測試。

1.2 QPI－8L型有源EMI 濾波器的工作原理

QPI－8L 的內(nèi)部框圖如圖1 所示。BUS＋、BUS－端分別接總線的正極、負(fù)極。SW端接受控于熱插拔功能的滿幅值負(fù)壓。SHIELD為屏蔽端，與負(fù)載的屏蔽端、Y 電容的公共端接在一起。QPI＋、QPI－分別接負(fù)載的正、負(fù)輸入端。PWRGD（Power good）為電源電壓正常指示的輸出端（集電極開路輸出），當(dāng)電源電壓不正常時該端輸出低電平。UVEN端、OV端各接1個電阻分壓器，分別設(shè)定欠電壓、過電壓閾值。主要包括以下5部分。

（1）熱插拔功能電路；

（2）EMI濾波器；

（3）供欠電壓檢測用的內(nèi)部分壓電阻（R1、R2）；

（4）供過電壓檢測用的內(nèi)部分壓電阻（R3、R4）；

（5）P溝道MOSFET。

當(dāng)電源電壓不正常時MOSFET 關(guān)斷，可將負(fù)載斷開，起到保護作用。

QPI－8L在0.01～30 MHz頻率范圍內(nèi)對共模噪聲的最大衰減量約為70 dB，對差模噪聲的最大衰減量可達82 dB。這是無源EMI 濾波器難以達到的指標(biāo)。QPI－8L型有源EMI濾波器與3 種無源EMI 濾波器產(chǎn)品對差模噪聲的插入損耗曲線圖如圖2 所示。圖2中，曲線a 代表QPI－8L，曲線b、c、d 分別代表3 種無源EMI 濾波器典型產(chǎn)品。顯然，QPI－8L 能在很寬的頻率范圍內(nèi)抑制差模噪聲。

1.3 有源電磁干擾濾波器的典型應(yīng)用

QPI－8L的典型接線圖如圖3 所示，將它插在總線電源與DC/DC電源轉(zhuǎn)換器之間。DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器直接安裝在印制板上并加屏蔽罩。C2～C6為旁路電容，容量可選0.047μF。

2 集成過電壓保護器件

近年來，隨著亞微米制造工藝的進步，許多新型集成電路的工作電壓愈來愈低，芯片承受過電壓的能力也隨之下降，這就使得保護電路的作用更加重要。過電壓保護簡稱OVP（Over Voltage Protection）。集成過電壓保護器件的典型產(chǎn)品有美國安森美（Onsemi）半導(dǎo)體公司推出的新型過電壓保護集成電路NCP345，MAXIM 公司生產(chǎn)的MAX4843 系列（ 含MAX4843、MAX4844、MAX4845、MAX4846 共4 種型號）。這類新器件的集成度高，體積小，能大大減少外部元器件的數(shù)量，降低過電壓保護器的成本?？蓮V泛用于手機、數(shù)碼相機、筆記本電腦、個人數(shù)字助理（PDA）、便攜式CD機、汽車備用充電器及便攜醫(yī)療設(shè)備中。下面以NCP345 為例，介紹集成過電壓保護器件的原理與應(yīng)用。

2.1 NCP345型集成過電壓保護器的原理

NCP345 采用先進的Bi-CMOS 制造工藝，可承受30V的瞬態(tài)電壓。它能在小于1μs的時間內(nèi)迅速關(guān)斷P 溝道MOSFET，確保負(fù)載不受損壞。其關(guān)斷速度比低壓CMOS 監(jiān)測電路要快得多，后者在同樣負(fù)載情況下只能承受12V的瞬態(tài)電壓，而關(guān)斷時間長達200μs。適合接在AC/DC電源適配器（或電池充電器）與負(fù)載之間，電池充電器可以是鋰離子（Li-Ion）電池充電器、鎳氫（NiMH）電池充電器。它具有過電壓斷電和欠電壓鎖定功能，能檢測出過電壓狀況并迅速切斷輸入電源，避免因過電壓或電源適配器出現(xiàn)故障而損壞電子設(shè)備。其額定過電壓閾值的典型值為6.85V。

NCP345的內(nèi)部框圖如圖4 所示。主要包括輸入級電阻分壓器（R1、R2），電壓調(diào)節(jié)器，帶隙基準(zhǔn)電壓源，欠電壓鎖定電路，具有滯后特性的控制邏輯，MOSFET 驅(qū)動器。只要發(fā)生以下3 種情況之一，OUT端就輸出高電平將MOSFET關(guān)斷。

（1）UCC下降到欠電壓鎖定閾值電壓（2.8V）以下；

（2）IN端的輸入電壓高于過電壓閾值（6.85V）；

（3）CNTRL端輸入為高電平。

只要在IN 端與UCC端之間接上電阻分壓器，即可調(diào)節(jié)過電壓閾值UOV。

2.2 NCP345 型集成過電壓保護器的典型應(yīng)用

目前，許多便攜式電子產(chǎn)品都配有AC/DC 電源適配器，將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，給內(nèi)部電池進行充電。一旦電源適配器中產(chǎn)生自激振蕩等故障而出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，就會損壞敏感的電子元器件。此外，倘若用戶在充電過程中突然拔掉電池，也會產(chǎn)生幅值較高的瞬態(tài)電壓，可能使產(chǎn)品毀壞。針對上述問題，可利用NCP345和MOSFET（P通道）構(gòu)成過電壓保護器，電路圖如圖5 所示。P通道MOSFET起到開關(guān)作用，選內(nèi)部帶保護二極管的MGSF3441 型MOSFET作為開關(guān)器件。其主要參數(shù)如下：漏- 源電壓UDS＝20 V，柵-源電壓UGS＝8.0V，漏極電流ID＝1A，最大漏極電流IDM＝20 A，最大功耗PDM＝950 mW，通態(tài)電阻RDS（ON）＝78 mΩ。二極管D 采用低壓降的MBRM120（1A/20 V）型肖特基二極管，當(dāng)IF＝1 A、TA＝25℃時的導(dǎo)通壓降僅為0.34V，它與MOSFET 串聯(lián)成一體，能防止電池短路。利用NCP345 可監(jiān)視輸入電壓，僅在安全條件下才能開啟MOSFET。穩(wěn)壓二極管DZ1、DZ2分別并聯(lián)在輸入端和負(fù)載端，起到過電壓二次保護作用。

3 集成過電流保護器件

USB 是通用串行總線（Universal Serial Bus）的英文縮寫。它是針對PC機外設(shè)的一種新型接口技術(shù)，具有傳輸速率快（USB 2.0 的傳輸速

率為480Mbps）、即插即用、熱插拔、低成本等特性。USB的電源和信號是通過四芯電纜來傳輸?shù)?。USB 2.0規(guī)范的電源指標(biāo)如表2 所列。由于在USB 設(shè)備熱插拔時會產(chǎn)生瞬間尖峰電流和浪涌電流，因此需要對USB接口、USB 集線器及計算機外設(shè)進行限流保護。

AAT4610A是美國先進模擬科技公司（AATI）于2005 年新推出的一種過電流保護電路，適配帶USB 接口的各種計算機外設(shè)及便攜式系統(tǒng)。其同類產(chǎn)品還有美國Vishay 公司生產(chǎn)的SiP4610A。AAT4610A 的內(nèi)部電路主要包括欠電壓閉鎖電路、過熱保護電路、比較放大器、P溝道MOSFET（帶續(xù)流二極管）、1.2V基準(zhǔn)電壓源和限流保護電路。當(dāng)欠壓鎖定閾值電壓為1.8 V時，將P 溝道MOSFET關(guān)斷；當(dāng)電壓恢復(fù)正常時自動使P 溝道MOSFET導(dǎo)通。

AAT4610A 的應(yīng)用非常簡單，只需串聯(lián)在需要限流保護的電路中即可，電路圖如圖6 所示。需要控制的電流從IN端流入，從OUT端流出。C1、C2分別為輸入端、輸出端的濾波電容，宜采用陶瓷電容。RSET為極限電流設(shè)定電阻，其電阻值取決于所需極限電流ILIMIT，設(shè)定范圍是130 mA～1A。在決定RSET的阻值時，必須考慮ILIMIT的變化。造成ILIMIT變化的原因有以下3種因素。

（1）從輸入端到輸出端的電壓變化，這是由于P溝道功率MOSFET的壓降而造成的；

（2）極限電流隨溫度而變化；

（3）極限電流還受輸出電流的影響。

4 結(jié)語

本文主要介紹了3種新型保護器件的原理與應(yīng)用，包括有源電磁干擾（EMI）濾波器、集成過電壓保護器件、集成過電流保護器件。

開關(guān)電源保護功能雖屬電源裝置電氣性能要求的附加功能，但在惡劣環(huán)境及意外事故條件下，保護電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。驗收產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)時，還應(yīng)對保護功能進行驗證。

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