功耗：獲取有關(guān)電源應(yīng)用和電路設(shè)計技巧以更少的成本系統(tǒng)電源保護(hù)

保護(hù)電路是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的無名英雄。無論何種應(yīng)用，從交流線路到數(shù)字負(fù)載的長電氣鏈都散布著各種尺寸和形狀的保險絲和瞬態(tài)電壓抑制器。沿著電氣路徑，電應(yīng)力源（例如存儲電容器引起的浪涌電流、接線錯誤或斷電引起的反向電流、過電壓以及感性負(fù)載開關(guān)或雷擊引起的欠壓）會損壞寶貴的電子負(fù)載。對于采用脆弱的亞微米和低壓技術(shù)構(gòu)建的微處理器和存儲器來說也是如此。就像士兵建造堡壘墻一樣，有必要在負(fù)載周圍建立保護(hù)周界來處理這些潛在的災(zāi)難性事件。

保護(hù)電子設(shè)備必須在其電壓和電流額定值范圍內(nèi)處理過壓/欠壓、過流和反向電流等故障條件。如果預(yù)期的電壓浪涌超過此處討論的保護(hù)電子額定值，則可以以濾波器和瞬態(tài)電壓抑制（TVS）器件的形式添加額外的保護(hù)層。

圖2顯示了圍繞智能負(fù)載（例如微處理器）的典型系統(tǒng)保護(hù)方案。DC-DC 轉(zhuǎn)換器 — 配有控制 （IC2）、同步整流場效應(yīng)管 （T3， T4）和相關(guān)本征二極管（D3， D4），以及輸入和輸出濾波電容器（C在， C外） - 為微處理器或 PLC 供電。來自 24V 電源總線 （V總線），如果直接連接到 V在，將對 DC-DC 轉(zhuǎn)換器及其負(fù)載造成災(zāi)難性后果（圖 3）。因此，前端電子保護(hù)是必要的。在這里，保護(hù)是通過控制器（IC1），驅(qū)動兩個分立式 MOSFET，T1和 T2.

圖2.典型的電子系統(tǒng)和保護(hù)

過壓保護(hù)

基于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的最大工作電壓（控制 IC2在圖 2 中），保護(hù)器 IC 主要由一個 MOSFET 開關(guān) （T2），接近在此操作范圍內(nèi)，并在其上方打開。相關(guān)的本征二極管D2在過壓的情況下反向偏置，起任何作用。T 的存在1/D1在這種情況下也是無關(guān)緊要的，與 T1完全“開啟”。

過流保護(hù)

即使輸入電壓被限制在允許的工作范圍內(nèi)，問題也可能持續(xù)存在。向上電壓波動會產(chǎn)生高 CdV/dt 浪涌電流，可能會熔斷保險絲、燒毀 PCB 走線或使系統(tǒng)過熱，從而降低其可靠性。因此，保護(hù)IC必須配備限流機(jī)制。

反向電流保護(hù)

MOSFET 在漏極和源極之間的本征二極管在 MOSFET “導(dǎo)通”時反向偏置，當(dāng) MOSFET 電壓極性反轉(zhuǎn)時正向偏置。由此可見，T2本身不能阻擋負(fù)輸入電壓。這些可能會意外發(fā)生，例如，在負(fù)瞬態(tài)或停電期間，當(dāng)輸入電壓（V總線在圖2中）為低電平或不存在，DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入電容（C在） 通過本征二極管 D 饋送電源總線2.為了阻止反向電流，必須有晶體管T。1，與其固有二極管 D 一起放置1反對負(fù)電流。然而，結(jié)果是兩個MOSFET的昂貴背靠背配置，其固有二極管偏置相反。

集成背靠背 MOSFET

如果使用分立式MOSFET，則背靠背配置的需求是顯而易見的，如圖2所示，而如果保護(hù)是單片式的，即當(dāng)控制電路和MOSFET集成在單個IC中時，則不太明顯。許多配備反向電流保護(hù)的集成保護(hù)IC都使用單個MOSFET，無論MOSFET極化如何，都要將器件體二極管切換為反向偏置。這種實(shí)現(xiàn)方案適用于5V MOSFET，后者在源極和漏極方面具有對稱結(jié)構(gòu)。源體和漏極體最大工作電壓相同。在我們的例子中，高壓MOSFET不是對稱的，只有漏極設(shè)計為能夠承受相對于身體的高電壓。高壓MOSFET的布局更為關(guān)鍵，而RR優(yōu)化的高壓MOSFET則更為關(guān)鍵。DS（ON）僅與源短路到身體一起提供。最重要的是，高壓（> 5V）集成解決方案也必須采用背靠背配置。

在電機(jī)驅(qū)動器應(yīng)用中，直流電機(jī)電流由 PWM 控制，采用 MOSFET 橋式驅(qū)動器控制。在PWM控制周期的OFF部分，電流再循環(huán)回輸入電容，從而有效地實(shí)現(xiàn)能量回收方案。在這種情況下，不需要反向電流保護(hù)。

傳統(tǒng)分立式解決方案

圖 5 顯示了使用分立式實(shí)現(xiàn)方案（如圖 2 所示的分立式實(shí)現(xiàn)方案 （24V） 的高成本，包括 PC 板面積和物料清單 （BOM）在，-60V至+60V保護(hù)）。印刷電路板面積為70mm2。

圖5.具有更高PCB面積（70mm）的傳統(tǒng)分立保護(hù)2)

集成解決方案

圖6顯示了在同一IC中集成控制和功率MOSFET的優(yōu)勢，該IC采用3mm x 3mm TDFN-EP封裝。在這種情況下，PCB面積占用減少到分立解決方案的約40%（28mm2).

圖6.集成保護(hù)，減少印刷電路板面積（28mm2)

集成保護(hù)系列

MAX17608–MAX17610系列可調(diào)過壓和過流保護(hù)器件就是這種集成方案的一個例子。它具有一個210mΩ的低導(dǎo)通電阻集成FET對，如圖7所示。

圖7.MAX17608/MAX17609過壓/過流保護(hù)器件框圖

這些器件可保護(hù)下游電路免受高達(dá) ±60V 的正負(fù)輸入電壓故障的影響。過壓鎖定門限 （OVLO） 可通過可選的外部電阻器調(diào)節(jié)至 5.5V 至 60V 之間的任何電壓（圖 8）。它們具有高達(dá) 1A 的可編程限流保護(hù)功能。MAX17608和MAX17610阻斷反向流動的電流，而MAX17609允許電流反向流動。這些器件還具有防止內(nèi)部過熱的熱關(guān)斷保護(hù)功能。它們采用小型 12 引腳 （3mm x 3mm） TDFN-EP 封裝。器件的工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

除了理想的集成特性外，該解決方案還具有±3%的精確電流檢測，而分立式解決方案的典型電流檢測率為±40%。該 IC 還在 SETI 引腳上報告負(fù)載瞬時電流值（圖 8）。這是一個很棒的功能，可以幫助系統(tǒng)監(jiān)控每個電路板的電流消耗。

這些器件可以編程為在限流條件下以三種不同的方式運(yùn)行：自動重試、連續(xù)或閉鎖模式。這是系統(tǒng)設(shè)計人員決定如何管理負(fù)載瞬態(tài)以最大程度地減少系統(tǒng)停機(jī)時間和服務(wù)成本的好方法。

圖8.MAX17608/MAX17609應(yīng)用框圖

結(jié)論

電子負(fù)載需要保護(hù)免受停電和波動、感性負(fù)載切換和雷擊的影響。我們回顧了一種典型的保護(hù)解決方案，其集成度低，不僅會導(dǎo)致PCB空間效率低下和高BOM，而且具有高容差并帶來電路認(rèn)證挑戰(zhàn)。我們展示了一個豐富的高集成度、高度靈活、低R系列。DS（ON）提供直接和反向電壓和電流保護(hù)的保護(hù)IC。它們非常易于使用，并以最小的 BOM 和 PC 板空間占用提供必要的功能。借助這些 IC，您可以在系統(tǒng)周圍設(shè)計一個緊密的保護(hù)范圍，以提高安全性和可靠性。

審核編輯：郭婷