原创 高电压浪涌抑制器可确保电源浪涌期间的可靠操作

Alison Steer, 产品市场经理, 混合信号产品部, 凌力尔特公司

在工业、汽车和航空电子应用中，经常会遇到持续几 μs 至几百 ms 的高电压电源尖峰。这些系统中的电子线路不仅必须安然承受瞬态电压尖峰，而且在许多场合还需要在此过程中可靠地运作。在那些通过长导线供电的系统中，负载阶跃 (负载电流的突然变化) 将产生严重的瞬变。当负载电流从一个高值降至一个低值时，将发生负的负载瞬变。电流的负变化 (dI/dt) 致使导线的寄生电感产生一个正向高电压尖峰，这有可能导致由同一根导线供电的相邻设备受损。高的 dI/dt 值因快速负载切换而产生 (例如：由继电器、开关触点和固态负载切换所引起)。如果电源与负载之间的连线受损，就会导致电流流动的突然中断以及一个很高的 dI/dt 值。这种情况的一个最好的例子便是汽车的负载突降，在此场合中，至电池的连接线由于振动或端子受损而突然断开。

负载突降会造成一个电压浪涌在持续几百 ms 的时间里处于上升状态 (见图 1)。根据美国汽车工程师协会 (SAE) 提供的数据，此类瞬变的幅度有可能高达 125V。典型的负载突降模式具有 5ms 的上升时间，并呈指数性衰减 (具有一个 200ms 的时间常数)。在工业系统中，由于螺线管及电机中的再生制动会引发相似的事件。

图 1：典型的负载阶跃波形

电子电路在汽车中的使用变得愈发普遍，而且它们必须具备可靠性。此外，精细复杂的消费电子产品 (比如：智能手机、笔记本电脑、MP3 播放器、GPS 以及通过汽车点烟器充电的数据输入装置) 还必须保护其自身免遭重复性瞬变与意外电压尖峰的损坏。倘若未提供针对高瞬变电压的充分保护，就将导致性能下降或发生故障并要对高昂的受损组件进行更换。

对于专注于保护敏感电子线路的工程师而言，这类瞬变带来了一个棘手的难题。历史上，这种保护是采用大容量电容器、TVS 二极管和熔丝实现。不过，此类分立式解决方案既大量占用电路板面积资源，而且还有可能无法实施。

凌力尔特于 2007 年首次推出了旨在解决这些难题的 LT4356 浪涌抑制器。LT4356 可在 4V 至 80V 的电压范围内运作，并在输入引脚上提供了 -60V 的反向保护。在过压瞬变期间，输出被箝位至一个用户定义的电压 (该电压由输出端上的电阻分压器网络确定)。只要在输入端上使用了一个电阻器和 TVS 二极管 (以避免超过绝对最大工作电压)，LT4356 就能抑制 >100V 的浪涌电压 (见图 2)。由于电流检测电路位于 MOSFET 的上游，因此在器件用于提供针对高于 100V 瞬变的保护时必须停用过流保护功能电路。

图 2：LT4356 可在输入端上承受 150V 的瞬态电压

最近，凌力尔特的浪涌抑制器系列增添了两款新器件，即 LTC4366 高电压浮置浪涌抑制器和具过流保护功能的 LT4363 高电压浪涌抑制器。LTC4366 设计用于那些在高于 100V 电压下连续工作的系统，或者需要提供针对极高瞬变电压 (>200V) 之保护的场合 (见图 3)。LT4363 是广受欢迎的 LT4356 之第二代版本，它将过流检测电路移至传输 FET 的下游，这样就能在承受超过 100V 瞬变电压的同时提供过流保护功能 (图 4)。

不过，和 LT4356 一样，LT4363 的绝对最大额定值为 100V，因此必须采用一个电阻器和 TVS 二极管以保护输入免遭 >100V 之高瞬变电压的损坏，如图 3 所示。与此不同，LTC4366 则采用一种浮置拓扑结构；外部降压电阻器允许其输出电压随电源向上浮置，并将其与高电压浪涌隔离开来。最高工作电压仅受限于高值电阻器的可用性，并需确定 MOSFET 的规格以处理电压调节期间的耗散功率。

 图 3：LTC4366 高电压浮置浪涌抑制器

图 4：具过流保护功能的 LT4363 高电压浪涌抑制器

特性与优势：

LT4363 和 LTC4366 具备某些共有特性。下面说明了这些器件所拥有的特性及其各自的优势所在：

• 宽工作范围：

LT4363 提供了一个很宽的工作范围 (4V 至 80V)，能在冷车发动条件下 (此时电池电压可能低至 4V) 连续运作。LT4363 还可用作一款宽工作范围热插拔 (Hot SwapTM) 控制器。如果采用了一个 TVS 二极管和电阻器以避免器件超过其 100V 的绝对最大额定值，则该器件将能承受高于 100V 的过压瞬变。

LTC4366 的工作范围从 9V 延伸至 >500V，能采用一种浮置拓扑结构以极高的电压工作。最高工作电压仅受限于高值电阻器的可用性和 MOSFET 的额定值。虽然 LTC4366 不能用于冷车发动应用，但仍可用于许多无需在点火期间工作的汽车系统 (信息娱乐、GPS)。

• 良好调节的过压保护

负责保护位于器件下游重要和安全关键的电子线路。可调的良好调节输出箝位电压提供了在安然经受瞬变过程的同时控制输出箝位电压电平的灵活性。对于低电压应用，这免除了增设下游高额定电压组件的需要，从而节省了成本。LT4363 还提供了 OV 和 UV 比较器输入，假如输入电压超出了这些可调门限的范围之外，则它们将禁止执行自动重试操作。LT4363 和 LTC4366 均在自动重试之间提供了很长的冷却周期。这有助于减少故障期间外部传输FET 中的耗散功率。

• 可调故障定时器

LT4363 / LTC4366 提供了一个可调故障定时器，该定时器可限制传输 FET 上的功率耗散。在故障情况下，LT4363 / LTC4366 采用一个电流源给 TIMER 引脚上的电容器充电。这提供了使用较低额定值 SOA MOSFET 的灵活性。竞争对手的同类过压保护产品均尚未提供可调定时器。

• 故障输出指示器

LT4363 具有一个故障输出，用于对即将发生的断电 (由于过压或过流故障状况而引起) 提供预警。

• 过流保护

LT4363 具有一个可调电流限值，负责提供针对短路或过大负载电流的保护作用。在位于输出端上的一个外部电流检测电阻器两端监视电压降，以避免遭受过流故障的损坏。在过流期间，对 GATE 引脚电平进行调节以限制流过该电阻器的电流。通过提高MOSFET 两端的电压可加快 TIMER 引脚的充电速度。这将更快地关断 MOSFET，因为在此情况下其消耗的功率更多。

• 浪涌电流限制

通过控制 GATE 引脚转换速率，可消除上电期间通过 MOSFET 传播至输出端的电流尖峰。

• 反向输入保护至 -60V     

LT4363 设计用于在不损坏其自身或负载的情况下承受高达 -60V 的反向电压 (采用背对背 FET)。这免除了增设一个隔离二极管的需要，从而避免了额外的功率损耗、发热以及可用电源电压范围的缩小。在冷车发动期间，特别不希望有额外的电压降。

• 低停机电流 (<20μA)

可防止汽车电池在车辆长时间停泊时放电。提供了额外的省电作用，可延长便携式应用中的电池使用寿命。

• 强大的栅极吸收电流

故障期间 GATE 引脚上的强大下拉电流 (>150mA) 可确保快速响应时间。

• -40oC 至 +125oC  工作范围

高额定温度允许器件在汽车及工业应用中工作。欲了解有关 -55oC 军用塑料封装版本的详情，请咨询凌力尔特公司。

目标市场：

凌力尔特的浪涌抑制器产品具有非常小巧的解决方案尺寸，能够提供牢固可靠的高电压前端保护，因而十分适合工业、航空电子与汽车市场的应用。

LTC4366 的应用包括燃料电池、工业与军用系统以及服务器中的高电压 DC 功率分配。

LT4363 的应用包括所有依靠一个电池或一个状况不良之电源工作的消费类、汽车、工业、航空电子、通信及军事用途。

表 1：凌力尔特的高电压浪涌抑制器系列