2021年12月21日 | ADI浪涌抑制器——为产品的可靠运行保驾护航

一、复杂的电子环境

汽车、工业和航空电子设备所处的供电环境非常复杂，在这种恶劣的供电环境中运行，需要具备对抗各种浪涌伤害的能力。以汽车电子系统供电应用为例，该系统不但需要满足高可靠性要求，还需要应对相对不太稳定的电池电压，具有一定挑战性；与车辆电池连接的电子和机械系统的差异性，也可能导致标称12 V电源出现大幅电压偏移。

事实上，在一定时间段内，12 V电源的变化范围为–14 V至+35 V，且可能出现+150 V至–220 V的电压峰值。这种很高的瞬态电压在汽车和工业系统是常见的，可以持久从微秒到几百毫秒，这将带来巨大的能量。这其中有些浪涌和瞬变在日常使用中出现，其他则是因为故障或人为错误导致。

无论起因为何，它们对汽车电子系统造成的损害难以诊断，修复成本也很高昂。为避免出现故障风险，系统内的电子器件，要么本身必须具备承受这些浪涌的能力，要么就必须被谨慎得保护起来。

图1 工业现场常见的浪涌形式

二、传统的应对方式

传统的过电压（OV）和过流（OC）保护系统往往包括：用于过滤低能量尖峰的电容器和电感、用于过电压保护的瞬态电压抑制器（TVS）、用于直流过流保护的保险丝、用于电池反向保护的系列二极管等。

图2 传统保护架构

尽管这些器件也在不断改进，但这些分立的解决方案体积庞大、不够精密，并且在持续故障期间会烧断保险丝，可能引起以下这些更大范围的停机和故障：

（1）吸收同样的能量，分立器件需要更大的体积。

（2）参数离散，例如同样是SMB封装的78V TVS，其齐纳击穿电压的范围可达1V。

（3）持续或直流的瞬变，可能会烧断保险丝或TVS，需要人工维修。

（4）用于反向保护而串联在功率通路上的二极管，会增加损耗并且带来热的问题。

三、ADI的革新技术——SURGE STOPPER

技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Alex Yang介绍了ADI的革新技术——SURGE STOPPER，SURGE STOPPER能够实现怎样的功能呢？

图3 浪涌抑制器在汽车中的应用

其功能的核心，就是能够保护负载端的电子系统免受高压冲击。并且在电涌施加在系统前端时，能够确保系统不间断运行。当系统的前端供电出现持续的或是直流故障时，能够断开负载连接，直至前端供电重新正常，保护系统自动恢复供电。另一方面，假如后级出现故障，例如过载和短路，那么SURGE STOPPER也同样可以保护前端供电不会被故障的负载所拖垮，可以干净利落地切断故障通道直至其恢复正常。

在实现核心功能的基础上，SURGE STOPPER在设计中考虑了很多细节。例如，工程师可以对嵌位电压进行高精度的微调，而不需要被动地去TVS选型表中选出最接近自己需求的器件。这样既便于工程师设计的更改和迭代，也可以最大限度地减少过度设计，降低成本。

根据市场需求，ADI革新性地针对浪涌问题研发了三类产品，包括：线性浪涌抑制器，开关浪涌抑制器，以及防护控制器。除此之外，ADI仍在不断尝试用新的思路解决浪涌问题。

线性浪涌抑制器

在正常运行期间，一个线性浪涌抑制器完全打开MOSFET的沟道，为负载电流提供一个低电阻路径。

当输入电源电压出现波动时，输出电压会被线性地调节到一个由电阻分压器设置的安全电压，从而实现保护后级负载电路的目的。

在保护状态下，后级电路会保持工作状态。

图4 线性浪涌抑制器

开关浪涌抑制器

在正常运行期间，开关浪涌抑制器完全打开外部MOSFET，让功率顺利通过保护级，从而为后级负载供电。

当输入电压浪涌发生时，立刻切换工作模式，将外部MOSFET作为一个高效率的BUCK稳压器的一部分，通过限制输出电压和电流来保护关键的下游组件。

在保护状态下，后级电路会保持工作状态。

图5 开关浪涌抑制器

保护控制器

保护控制器在供电电压出现异常时立即断开连接，从而达到保护后级电路的目的。

在保护状态下，后级电路会停止工作。

以LTC4368为例，它可以实现过压（OV）、欠压（UV）、过流（OC）、反向输入（RI）四种保护，基本覆盖了应用现场会出现的各种工况，为后级电路提供了完善的保护解决方案。

图6 LTC4368框图

四、产品举例

Alex分享了ADI的一款线性浪涌抑制器LT4363。

图7 LT4363的电路架构

LT4363简介

它能通过控制一个外部N沟道MOSFET的栅极，以在过压过程中（比如：汽车应用中的负载突降情况）调节输出电压。输出被限制在一个安全的数值上，从而允许负载持续运作。

LT4363还监视SNS和OUT引脚之间的压降，以防止遭受过流故障的影响。

不管在哪种故障条件下，定时器的起动均与 MOSFET 应力成反比。在定时器终止操作之前，FLT 引脚将被拉至低电平，以发出“即将断电”的警告。如果该条件一直持续，则 MOSFET 将关断。在复位之前，LT4363-1 保持关断，而LT4363-2则在一个冷却周期之后重新起动。

两个高精度比较器能监视输入电源的过压（OV）和欠压（UV）情况。当电压低于UV门限时，外部MOSFET保持关断状态。假如输入电源电压高于OV门限，则不允许MOSFET重新接通。可以采用背对背MOSFET来代替肖特基二极管以提供反向输入保护，从而减少压降和功率损失。一个停机引脚负责将停机期间的静态电流减小至7μA以下。

设计要点

过压故障

在过压情况发生时，LT4363会通过控制MOSFET栅极电压，使得MOSFET工作在可 变电阻区，以保证输出电压采样引脚FB上的电压维持在1.275V。从而达到，将电压嵌位在我们所设定的电压上的目的。同时，如果过电压现象持续存在，则定时器会控制MOSFET关闭。

过流故障

当出现短路或过流情况，LT4363会控制GATE引脚，以限制SNS和OUT引脚之间电流检测电压为50 mV。在输出严重短路的情况下（一般指输出电压低于2V），电流检测门限会由原来的50 mV降低至25mV，以降低MOSFET上的功率应力。如果故障仍然持续，则定时器会控制MOSFET关闭。

MOSFET的选型

LT4363通过驱动一个N沟道MOSFET来导电负载电流。MOSFET的重要参数是导通电阻RDS（ON），漏源极电压的最大值V（BR）DSS、栅极阈值电压V（BR）GS以及SOA。

V（BR）DSS漏源极电压的最大值:

V（BR）DSS漏源极电压的最大值必须高于最高电源电压。如果在出现输出短路接地或在过压事件期间，MOSFET的源漏极会承受全部供电电压。

V（BR）GS栅极驱动电压：

对于VCC供电在9V以上的应用，通用型的所需的栅极驱动电压范围在10V和16V之间；对于VCC供电在9V以下的应用，N沟道MOSFET的栅极驱动电压，不能低于4.5V。

MOSFET的SOA：

SOA（Safe Operation Area）是所有MOSFET中的一个参数，以图标形式体现在规格书中。其中体现出相关联的三个参数的关系：Vds、Id，以及时间T。以典型应用的中的N-MOSFET:FDB33N25为例：

图8 场效应管FDB33N25 的SOA曲线

在选择MOSFET的SOA时，必须考虑所有故障条件下的情况；

在正常工作中，沟道是完全开着的，所以损耗在MOSFET上的功率非常小；

在出现过压或是过流故障时，GATE引脚就会开始控制MOSFET上DS两端所承受的电压或是流过MOSFET的电流。此时高电压和大电流会同时存在于MOSFET当中，因此必须谨慎地依照SOA数据来确定故障定时器的设置。

五、结语

LT4363只是ADI众多浪涌抑制控制器系列中的一款，在汽车、工业等复杂供电环境中，世健提供的ADI浪涌抑制器能够帮助产品抵御恶劣的供电环境，让产品具备对抗各种浪涌伤害的能力，为产品的可靠运行保驾护航。