如何為電子設(shè)備添加額外的電源保護層

保護電路是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的無名英雄。無論是何種應(yīng)用，從交流線路到數(shù)字負載的長電鏈都穿插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，電氣壓力源（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、感應(yīng)負載開關(guān)或閃電引起的過壓和欠壓）可能會損壞寶貴的電子負載。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而言，情況就是如此。就像士兵建造堡壘墻一樣，有必要在負載周圍建立一個保護周邊，以處理這些潛在的災(zāi)難性事件。

保護電子設(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)期電壓浪涌超過此處討論的保護電子設(shè)備額定值，則可以添加額外的保護層，以濾波器和瞬態(tài)電壓抑制 （TVS） 設(shè)備的形式。

圖 1顯示了圍繞智能負載（例如微處理器）的典型系統(tǒng)保護方案。DC-DC 轉(zhuǎn)換器——配有控制 （IC 2 ）、同步整流 MOSFET （T 3、T 4 ） 和相關(guān)的本征二極管 （D 3、D 4 ），以及輸入和輸出濾波電容器 （C IN ， C OUT ）—為微處理器或 PLC 供電。來自 24V 電源總線 （V BUS ） 的電壓浪涌，如果直接連接到 V IN，將對 DC-DC 轉(zhuǎn)換器及其負載造成災(zāi)難性后果。出于這個原因，前端電子保護是必要的。在這里，保護是通過一個控制器 （IC 1 ） 實現(xiàn)的，該控制器驅(qū)動兩個分立的 MOSFET，T 1和 T 2。

圖 1. 典型電子系統(tǒng)和保護

過壓保護

根據(jù) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的最大工作電壓（圖 2 中的 CONTROL IC 2），保護器 IC 本質(zhì)上由一個 MOSFET 開關(guān) （T 2 ） 組成，該開關(guān)在此工作范圍內(nèi)接近而在其之上打開。相關(guān)的本征二極管 D 2在過壓的情況下被反向偏置并且不起任何作用。在這種情況下，T 1 /D 1的存在也無關(guān)緊要，T 1完全“開啟”。

過流保護

即使輸入電壓被限制在允許的工作范圍內(nèi)，問題仍然存在。向上的電壓波動會產(chǎn)生高 CdV/dt 浪涌電流，可能會燒斷保險絲（圖 2）、燒毀 PCB 走線或使系統(tǒng)過熱，從而降低其可靠性。因此，保護IC必須配備限流機制。

圖 2. 熔斷保險絲

反向電流保護

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，而在 MOSFET 電壓極性反轉(zhuǎn)時正向偏置。由此可見，T 2本身不能阻擋負輸入電壓。這些可能會意外發(fā)生，例如，在負瞬態(tài)或斷電期間，當(dāng)輸入電壓（圖 1 中的V BUS ）低或不存在時，DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸入電容器（C IN）通過本征二極管 D 2。為了阻止反向電流，有必要將晶體管 T 1與其固有二極管 D 1放置在一起反對負電流。然而，結(jié)果是成本高昂的兩個 MOSFET 的背靠背配置，其固有二極管反向偏置。

集成背靠背 MOSFET

如果使用分立 MOSFET（如圖 1 所示），則背靠背配置的需求是顯而易見的，而如果保護是單片的，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的集成保護 IC 使用單個 MOSFET，并額外注意將器件體二極管切換到反向偏置，無論 MOSFET 極化如何。這種實施方式適用于 5V MOSFET，其源極和漏極具有對稱結(jié)構(gòu)。源體和漏體最大工作電壓相同。在我們的例子中，高壓 MOSFET 不是對稱的，只有漏極被設(shè)計成能承受相對于體的高壓。高壓 MOSFET 的布局更為關(guān)鍵，具有優(yōu)化 R 的 HV MOSFETDS（ON）僅在源與身體短路的情況下提供。歸根結(jié)底，高壓 （》 5V） 集成解決方案也必須采用背靠背配置。

在電機驅(qū)動器應(yīng)用中，直流電機電流由 MOSFET 橋驅(qū)動器進行 PWM 控制。在 PWM 控制周期的關(guān)斷部分，電流再循環(huán)回輸入電容，有效地實現(xiàn)了能量回收方案。在這種情況下，不需要反向電流保護。

傳統(tǒng)離散解決方案

圖 3說明了在 PC 板面積和材料清單 （BOM） 方面，使用類似于圖 2 中的分立實現(xiàn)的高成本（24V IN，-60V 至 +60V 保護）。PCB 面積高達 70 平方毫米。

圖 3. 具有更大 PCB 面積 （70mm 2 ）的傳統(tǒng)分立式保護

綜合解決方案

圖 4顯示了將控制和功率 MOSFET 集成在同一 IC 中的優(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大約 40% （28mm 2 ）。

圖 4 減少 PCB 面積 （28mm 2 ）的集成保護

綜合保護系列

MAX17608 –MAX17610系列可調(diào)節(jié)過壓和過流保護器件提供了這種集成解決方案的示例。它具有一個低 210mΩ 導(dǎo)通電阻集成 FET 對，如圖 5所示。

圖 5. MAX17608/MAX17609 過壓/過流保護器件框圖

這些器件可保護下游電路免受高達 ±60V 的正負輸入電壓故障的影響。過壓鎖定閾值 （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 6）。它們具有高達 1A 的可編程限流保護。MAX17608和MAX17610阻止電流反向流動，而MAX17609允許電流反向流動。這些器件還具有針對內(nèi)部過熱的熱關(guān)斷保護功能。它們采用小型 12 引腳 （3mm x 3mm） TDFN-EP 封裝。這些器件在 -40°C 至 +125°C 擴展溫度范圍內(nèi)工作。

除了理想的集成特性外，該解決方案還具有 ±3% 的精確電流感應(yīng)，而分立解決方案的典型電流為 ±40%。IC 還報告 SEti 引腳上的負載瞬時電流值（圖 6）。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。

可以對器件進行編程，使其在限流條件下以三種不同的方式運行：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載瞬態(tài)以最小化系統(tǒng)停機時間和服務(wù)成本的好方法。

圖 6. MAX17608/MAX17609 應(yīng)用框圖

結(jié)論

電子負載需要保護免受斷電和波動、感應(yīng)負載開關(guān)和閃電的影響。我們回顧了一種典型的保護解決方案，其集成度低，不僅導(dǎo)致 PC 板空間效率低下和 BOM 高，而且容差大，并帶來電路認(rèn)證挑戰(zhàn)。我們展示了一系列高度集成、高度靈活、低 R DS（ON）保護 IC，可提供直接和反向電壓和電流保護。它們非常易于使用，并以最少的 BOM 和 PC 板空間占用提供必要的功能。使用這些 IC，您可以在系統(tǒng)周圍設(shè)計一個嚴(yán)密的保護范圍，以提高安全性和可靠性。

審核編輯：郭婷