過壓的常見來源 常用的過電壓保護(hù)方法

引言：每個(gè)電子元器件都都有其額定電壓，任何高于額定最大電壓的電壓都會導(dǎo)致器件損壞或降低其性能，從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因此通過增加過壓保護(hù)來避免器件承受這些更高的電壓，基本核心是將這過電壓與下游設(shè)備隔離，或?qū)⑤敵鲢Q位到一個(gè)安全電壓。

1.過壓的常見來源

施加于電子元器件的過電壓可能超過其內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)的雪崩擊穿電壓，從而導(dǎo)致電流過大，這種過度的電流會嚴(yán)重削弱、損壞整個(gè)器件或使器件過熱。

對低功耗和低成本的需求的增加推動(dòng)了技術(shù)的改進(jìn)，許多半導(dǎo)體器件現(xiàn)在在較低的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。降低單個(gè)器件的電壓可以降低系統(tǒng)的整體功耗，從而提高電池壽命，提高效率，并間接降低成本（系統(tǒng)耗電更少），此外低壓器件的制造成本比高壓器件更低。然而隨著功率效率的提高和成本的降低，也帶來了一個(gè)副作用--->增加了器件對過電壓條件的敏感性。

過電壓有兩種類型：瞬態(tài)過電壓和連續(xù)過電壓，瞬態(tài)過電壓通常是由靜電放電ESD、瞬態(tài)電變化、熱插拔等產(chǎn)生的電壓振鈴或來自附近電源或轉(zhuǎn)換器的感應(yīng)開關(guān)浪涌引起的。瞬態(tài)過電壓可以接近千伏，但通常持續(xù)時(shí)間很短，例如ESD事件可以持續(xù)60-100ns，而浪涌事件可以持續(xù)約20us。室外的電信設(shè)備可能暴露在閃電沖擊中--->另一種形式的瞬態(tài)過電壓，浪涌脈沖可以比常規(guī)電壓高一個(gè)數(shù)量級。這些系統(tǒng)需要特殊的保護(hù)要求，因?yàn)殚W電瞬變的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間都更為嚴(yán)重。

連續(xù)過電壓是指長時(shí)間持續(xù)存在的過電壓狀態(tài)和無限期的應(yīng)激系統(tǒng)，上游電源、電壓調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)換器故障或?qū)⒉患嫒莸倪m配器插入系統(tǒng)，都可能導(dǎo)致連續(xù)過電壓。

2. 常用的過電壓保護(hù)方法

對于以上兩種類型的過電壓，有幾種不同的過電壓保護(hù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

對瞬態(tài)過電壓條件的保護(hù)

由于瞬態(tài)過電壓條件的持續(xù)時(shí)間較短，因此任何保護(hù)方案的響應(yīng)時(shí)間都必須足夠快，以盡量減少下游電路受應(yīng)力時(shí)間。ESD二極管、瞬態(tài)電壓抑制器TVS管和齊納二極管可以將瞬態(tài)過電流引導(dǎo)到地平面，并箝位瞬態(tài)過電壓，使下游負(fù)載保持在安全工作區(qū)域內(nèi)。

金屬氧化物電敏電阻MOVs也可以抑制瞬態(tài)過電壓，比ESD二極管、TVSs和Zener二極管能吸收更多的能量，但響應(yīng)時(shí)間較慢。TVS可以在ns內(nèi)響應(yīng)，而MOV在us內(nèi)響應(yīng)，因此ESD二極管和TVS被用于低壓電路，而MOV為交流電源或高壓直流級提供更好的保護(hù)。

防止連續(xù)過電壓條件

雖然瞬態(tài)過電壓保護(hù)方案可以快速響應(yīng)瞬態(tài)過電壓，但它們不適合連續(xù)過電壓狀況，連續(xù)過電壓特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間更長。畢竟MOV、ESD二極管、TVS和Zener在失效前只能鉗制和耗散一定數(shù)量的能量。為了防止連續(xù)過電壓，有兩種常見的方法：過電壓鎖定和過壓箝位。

過電壓鎖定

過電壓鎖定（也稱為輸出電壓截止）是兩者中更簡單和更常見的保護(hù)方案，具有過電壓鎖定功能的電源開關(guān)通常有一個(gè)OVLO引腳，通過一個(gè)可配置的電阻分壓器監(jiān)測輸入電壓軌。一旦OVLO引腳的電壓超過一定閾值，內(nèi)部比較器關(guān)閉通過MOSFET，圖4-1是過電壓鎖定電路實(shí)現(xiàn)的典型簡圖。

圖4-1：過電壓鎖定方框圖

對于連續(xù)過電壓保護(hù)，需要更快的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)健的保護(hù)，以確保下游負(fù)載不會長時(shí)間暴露在過電壓環(huán)境下。例如eFuse可以對3us范圍內(nèi)的過電壓條件進(jìn)行響應(yīng)。只要輸入電壓超過設(shè)定的過電壓鎖定閾值，過電壓鎖定電源開關(guān)就將保持關(guān)閉狀態(tài)，一旦輸入電壓降到閾值以下，開關(guān)就會重新打開。

圖4-2顯示了eFuse的過電壓鎖定操作。過電壓鎖定設(shè)定點(diǎn)為17V，對12V標(biāo)稱工作電壓施加18V的過電壓。一旦輸入電壓上升到設(shè)定的閾值以上，內(nèi)部場效應(yīng)晶體管FET就會關(guān)閉，Vout緩慢下降，在FET關(guān)閉后，F(xiàn)LT會發(fā)出故障信號。

圖4-2：eFuse的過電壓鎖定響應(yīng)

過電壓鉗位

當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)短暫過電壓情況時(shí)，過電壓鉗位是另一種響應(yīng)保護(hù)方式，在短暫過壓事件期間，有的系統(tǒng)需要持續(xù)保持工作，所以最好不要中斷下游負(fù)載，此時(shí)過電壓鉗位功能可以將輸出電壓夾在一個(gè)安全水平，而不是切斷系統(tǒng)電壓。在以下場景，可能會發(fā)生臨時(shí)過電壓：

1：上游低開關(guān)頻率DC/DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)載突然跌落（波動(dòng)）。

2：上游DC/DC轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載下以脈沖頻率調(diào)制工作。

3：負(fù)載由多輸出反激式轉(zhuǎn)換器的不受調(diào)節(jié)的次級繞組供電。

這些事件的持續(xù)時(shí)間可以從幾十us到數(shù)百us不等。

當(dāng)輸入電壓超過某一閾值時(shí)，內(nèi)部鉗位激活并將輸出電壓限制在設(shè)定值，如圖4-3所示，從而確保了電源在仍然為負(fù)載供電的同時(shí)，系統(tǒng)不會暴露在輸入電源處存在的高電壓下。

圖4-3：過壓鉗位方框圖

只要在輸入上存在過電壓，輸出電壓將被鉗位到設(shè)定值，當(dāng)輸入下降到輸出箝位閾值以下時(shí)，箝位將釋放并繼續(xù)正常工作。在輸入過電壓條件下，調(diào)節(jié)MOSFET的柵極以降低額外的電壓并箝位輸出電壓。MOSFET中的功耗是通過它的電壓降與流過的電流的乘積，如下式所示：

輸入過電壓和負(fù)載電流越高，為保持輸出電壓恒定，在MOSFET中耗散的功率就越高，因此內(nèi)部MOSFET可能會有明顯的發(fā)熱和器件結(jié)溫升高。如果過電壓狀態(tài)持續(xù)存在，可能會發(fā)生熱關(guān)斷，即器件停止工作并斷開電源上的負(fù)載，此時(shí)器件將保持閉鎖狀態(tài)或啟動(dòng)自動(dòng)重試循環(huán)直到溫度降低。

此外快速反應(yīng)有可能降低或消除對外部TVS和齊納二極管等器件保護(hù)的依賴，例如具有快速過壓保護(hù)的eFuse的輸出鉗位響應(yīng)時(shí)間為5us。圖4-4顯示了快速eFuse的過壓鉗位工作波形，該系統(tǒng)的過壓鉗值設(shè)置為5.7V，對5V標(biāo)稱工作電壓施加8V的過電壓，一旦輸入電壓超過5.7V閾值，則調(diào)節(jié)內(nèi)部FET的柵極以鎖定輸出電壓在5.7V。

圖4-4：具有快速過壓保護(hù)的eFuse過壓鉗位響應(yīng)

3. 結(jié)論

為了可靠地保護(hù)電源傳輸路徑，過電壓保護(hù)非常重要，不同的系統(tǒng)測試用例要求在過電壓條件下有不同的響應(yīng)，如過電壓鎖定或過電壓箝位。而具有集成過電壓保護(hù)的eFuse器件則提供了靈活、快速和緊湊的保護(hù)方案。