如何使用開關(guān)浪涌抑制器替代傳統(tǒng)的線性浪涌抑制器

在工業(yè)電子設(shè)備中，過(guò)壓保護(hù)是確保設(shè)備可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。本文將探討如何使用開關(guān)浪涌抑制器替代傳統(tǒng)的線性浪涌抑制器，以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)壓情況。與傳統(tǒng)線性浪涌抑制器不同，開關(guān)浪涌抑制器能夠在持續(xù)浪涌的情況下保持負(fù)載正常運(yùn)行，而傳統(tǒng)線性浪涌抑制器則需要在電源路徑中的MOSFET 散熱超過(guò)其處理能力時(shí)切斷電流。

可靠的工業(yè)電子設(shè)備通常配備保護(hù)電路，以防止電源線路出現(xiàn)過(guò)壓，從而保護(hù)電子設(shè)備免受損壞。過(guò)壓現(xiàn)象可能在電源線路負(fù)載快速變化時(shí)發(fā)生，線路中的寄生電感可能導(dǎo)致高電壓尖峰。

這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)輸入保護(hù)電路來(lái)解決，比如圖1所示的采用ADI LTC4380的保護(hù)電路。在該電路中，功率開關(guān)M1位于電流傳導(dǎo)路徑上。當(dāng)VIN時(shí)發(fā)生過(guò)壓時(shí)，開關(guān)M1將在線性區(qū)域內(nèi)工作，使其表現(xiàn)為歐姆區(qū)域的電阻，從而通過(guò)MOSFET M1上的壓降來(lái)調(diào)節(jié)VOUT。這一機(jī)制可有效防止輸出電壓升高至過(guò)高水平，從而保護(hù)下游電子設(shè)備。然而，這種保護(hù)方法的有效時(shí)間是有限的，持續(xù)時(shí)間由開關(guān)M1的許可安全工作區(qū)(SOA)決定。如果功率MOSFET上的壓降一直很高且持續(xù)時(shí)間超過(guò)了限制，MOSFET的溫度將超過(guò)其最高溫度閾值，可能導(dǎo)致器件損壞。LTC4380等集成電路內(nèi)置了定時(shí)器，以防止過(guò)壓情況的發(fā)生。定時(shí)器中設(shè)定了MOSFET在過(guò)壓條件下在線性區(qū)域工作的時(shí)長(zhǎng)，通常為數(shù)毫秒或數(shù)微秒。一旦設(shè)定時(shí)間結(jié)束，開關(guān)M1將完全斷開，從而保護(hù)開關(guān)本身，但這也意味著系統(tǒng)的電源將被切斷。

圖1. 采用線性浪涌保護(hù)器IC進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)（簡(jiǎn)化電路）

為了確保工業(yè)電子設(shè)備在任何情況下都能可靠運(yùn)行并獲得不間斷電源，選擇能夠長(zhǎng)時(shí)間耐受過(guò)壓的解決方案至關(guān)重要。這包括考慮故障情形，例如電源線路連接錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓。通過(guò)選擇能夠應(yīng)對(duì)這些情況的解決方案，電路可以可靠運(yùn)行并避免電源電壓中斷。此類解決方案可通過(guò)圖2所示的開關(guān)浪涌保護(hù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2. 無(wú)過(guò)壓時(shí)間限制的開關(guān)過(guò)壓保護(hù)電路（簡(jiǎn)化電路）

在圖2所示的電路中，除了浪涌保護(hù)器IC，還使用了電感和外部肖特基二極管。降壓開關(guān)穩(wěn)壓器作為保護(hù)電路運(yùn)行。然而，僅當(dāng)輸入電壓超過(guò)設(shè)置的最大值時(shí)，該開關(guān)穩(wěn)壓器才會(huì)開始工作。此時(shí)間段內(nèi)的工作通常不需要特別注重能效。簡(jiǎn)單的肖特基二極管可用作反激二極管。

圖3. 輸入電壓和輸出電壓對(duì)過(guò)壓的響應(yīng)（上圖），以及高頻范圍內(nèi)開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的開關(guān)電壓（下圖）。

在圖3中，藍(lán)色顯示輸入電壓響應(yīng)。正常輸入電壓為16 V。大約 2 ms時(shí)，過(guò)壓達(dá)到40 V。紅色顯示輸出電壓隨時(shí)間的變化。在VIN過(guò)壓持續(xù)期間，開關(guān)DC-DC穩(wěn)壓器激活，將輸出電壓調(diào)節(jié)到16 V。綠色顯示區(qū)域?yàn)殚_關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓（在MOSFET、肖特基二極管和電感之間的節(jié)點(diǎn)處）。

因此，如圖1所示，過(guò)壓保護(hù)電路可以采用線性設(shè)計(jì)，或者采用特殊的開關(guān)（降壓）DC-DC穩(wěn)壓器，比如圖2中的LTC7860。簡(jiǎn)單的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器不適合此應(yīng)用，因?yàn)樵谶@種情況下，N溝道MOSFET無(wú)法持續(xù)導(dǎo)通。

過(guò)壓保護(hù)電路包括線性浪涌保護(hù)器和開關(guān)浪涌保護(hù)器IC。有了開關(guān)浪涌保護(hù)器，即使遭遇長(zhǎng)時(shí)間過(guò)壓，電路也能持續(xù)工作。這意味著即使過(guò)壓持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，被供電電路仍持續(xù)受到保護(hù)并正常工作。

結(jié)論

越來(lái)越多的工業(yè)和儀表應(yīng)用要求使用精密轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)各種工藝的精確控制與測(cè)量。此外，這些最終應(yīng)用還要求更高的靈活性、可靠性和功能集，同時(shí)降低成本和電路板面積。元件制造商正在解決這些難題，并推出了一系列產(chǎn)品來(lái)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)當(dāng)前與未來(lái)設(shè)計(jì)的要求。如本文所述，有多種途徑可選擇合適的元件用于精密應(yīng)用，每一種都各有優(yōu)缺點(diǎn)。隨著系統(tǒng)精度的提高，人們需要更加注重合適元件的選擇，以滿足應(yīng)用要求。