标签: 浪涌抑制器

主动电路保护器件, 如果应用得当，可以大大减少保护元器件的占地空间，并简化设计。 通过ADI浪涌抑制器，来带大家看看，使用主动电路保护器件，常见的应用拓扑有哪些。 1. 浪涌抑制器：线性 浪涌抑制器的保护原理类似于线性稳压器。如下图，浪涌抑制器监测输入电压和电流。保护阈值由连接输出端的反馈网络决定。通过调节N沟道MOS管栅极，从而将MOS管输出电压钳制在相应的范围。 图1 浪涌抑制器：线性 (图片来源于ADI) 同时为了保护MOS管，一般通过一个电容故障定时器(TMR)来限制MOS管在高损耗区花费的时间。定时器本质上是一个对地电容器。当发生过电压情况时，内部电流源开始给外部电容充电。一旦这个电容达到一定的阈值电压，关闭MOS管。 对于过流保护，如上图，一般通过一个电流检测电阻来监测。当过流情况出现，通过调节MOS管栅极来保证电流在限制范围之内。 典型芯片： LT4363 2. 浪涌抑制器：开关 对于高功率应用，开关浪涌抑制器是一个不错的选择。原理与开关电源、DC-DC转换器类似。阈值由输出端的反馈网络决定，通过调节N沟道MOS管栅极，将MOS管的输出电压钳制在电阻分压器设置的电平。 图 2 浪涌抑制器：开关 (图片来源于ADI) 与线性浪涌抑制器一样，也用一个故障定时器（TMR），来保护MOS管。上图的绿线是电容上的累积电压，我们可以看到，这个电压随着浪涌的出现开始累积，直至浪涌结束开始释放。 典型芯片： LTC7860 3. 浪涌抑制器：门限电压 这种浪涌抑制器的阈值，不由输入电压与反馈网络决定。而是通过设置内部钳位电压（也可以外加一个肖特基二极管来设置钳位电压），来限制住MOS管栅极电压。而MOS管的阈值电压决定输出电压极限。 图 3 浪涌抑制器：门限电压 (图片来源于ADI) 例如，使用内部31.5 V的栅极箝位和5 V的MOS管阈值电压，输出电压被限制为26.5 V。 典型芯片： LTC4380 4. 保护控制器：输出断开 与浪涌抑制器一样，监测过输入电压和电流的情况，但他不是钳制或调节输出，而是立即断开输出以保护下游电子设备。这种简单的保护电路可以有一个非常紧凑的封装，适合电池供电，便携式设备等应用领域。 图 4 保护控制器：输出断开 (图片来源于ADI) 如上图，保护控制器通过分压电阻来监测输入电压，形成一个从UV到OV地电压窗口。当输入电压超出电压窗口范围，马上通过MOS管断开输出。 如上图，该方案使用背靠背MOS管，可以有效防止电压地反向输入。输出端的电流检测电阻，通过持续监测正向电流来实现过电流保护功能。 典型芯片： LTC4368 5.总结： 主动浪涌抑制器，有各式各样种。 可以根据开关放在芯片外面还是集成在芯片里面分为： 内部开关浪涌抑制器 外部开关浪涌抑制器 根据使用场合，有各种各样的拓扑结构 LT4363 LT4363 LTC4380 LTC4368 如果想最大限度地减少下游电子设备的停机时间，可以看下线性型或者开关型浪涌抑制器。从而最大限度地减少下游电子设备的停机时间。 最后： 当然，对应的电路保护器件不止这些。最重要的是，首先要了解你的项目中可能会出现的过电压/过电流/浪涌等各种潜在的危险情况。 然后根据项目具体的要求，如可靠性、反应速度、产品尺寸等要求，对症下药，合理选择合适的电路保护方案，才能事半功倍。 来源：digikey.cn

为提高消费者的满意度，不论是手机、娱乐系统，还是高端计算机，这些电子系统必须不会受到静电放电(ESD)的破坏或影响。为了确保系统在遭受ESD事件时的鲁棒性，必须按照IEC 61000-4-2等标准来测试这些产品。系统设计师采用多种方法来确保产品符合主流的ESD标准，包括解决外壳设计、电路板设计、元件选择，甚至是软件修复。其中一个重要的方法是在输入和输出(I/O)连接器等关键电路节点处使用保护元件。ESD保护元件通常称作瞬态电压抑制器(TVS)。本文将分析系统设计师可以采用的一些保护产品类型，并比较它们的特性。 TVS的ESD保护原理 许多集成电路(IC)都有一些可能比较敏感的输入，这使得它们在输入电压远高于正常值的的情况下(例如在ESD应力作用下)易于受损。正常工作电压与使器件开始受损的电压之间的区域是安全过压区。安全过压区与器件受损区之间有少许交叠，因为如果较大的过压仅持续极短时间，那么即使不是在安全过压区，器件可能也可以承受。TVS的任务就是发生ESD事件时，将输入电压维持在安全过压范围之内，而在正常工作时不影响系统性能。TVS器件被放置于邻近ESD事件可能进入系统的位置，旨在限制敏感节点处的电压，并将电流引至不太敏感的节点，如地电平。为实现这个功能，TVS必须在正常工作电压范围内拥有高阻抗,在正常工作电压范围之外拥有低阻抗，这样才能将电流直接从敏感节点引开，并限制瞬态电压。 对TVS的基本要求与具体应用有关，但一般情况下有如下要求：(1)能够在期望的ESD应力下正常工作；(2)在正常电压范围内具有高阻抗(低泄漏)；(3)在正常电压范围之外呈低阻抗；(4)导通电压适合应用；(5)在遭受应力期间可快速地从高阻抗转换至低阻抗(6)电容对目标应用而言不太高。在比较具体的TVS器件类型之前，需要理解两种分类。 单向与双向保护：单向和双向TVS器件都能抑制正向和负向应力。依据TVS维持高阻抗、低泄漏状态的电压范围，可以最好地理解这两个术语的不同。这种电压范围决定了TVS器件能保护的电路节点类型。双向TVS具有相对于零伏电压的对称特性(图1)。双向器件最适合保护电压基于零伏对称或双向的电路节点。单向TVS产品具有相对零伏电压不对称的特性。单向TVS器件极适合保护电压极性始终相同的电路节点，如0到5伏这样的单极性电压。 电压箝位与消弧：电压箝位器件的工作原理是从低电压时的高阻抗转换至高于导通电压时的低阻抗，且没有负阻抗区域(图2)。这器件通过提供接地的低阻抗通道，对高于导通电压的电压进行箝位。消弧(crowbar)器件在低电压时也呈高阻抗，但当电压较高时触发新的导通机制，使电流增大，并伴随着电压下降。因此，消弧器件拥有负阻抗区域。某些消弧器件的触发电压可能非常高。如果消弧TVS触发器的速度足够快，就可以经常提供保护，即便电压已经达到可能导致器件损坏的电平。消弧器件有时也称作“骤回”器件，因为电压骤然下降。 ESD TVS器件采用的技术主要有三种：压敏电阻、聚合物和硅二极管，每种技术各有其独特特性。 1．金属氧化物压敏电阻(MOV) 压敏电阻在小电流和低电压下具有高阻抗，但在高电压和大电流下，它们的阻抗大幅下降，因此它们属于电压箝位器件。 压敏电阻是双向保护器件，具有很宽范围的电流和电压保护能力，适用从高压输电线路和雷电保护，到到小型ESD表面贴装器件等应用领域，。然而，相对于它们的导电率来说，它们电容较大，这意味着它们在高速信号线路保护方面的应用受到限制。压敏电阻在遭受多次应力后，性能也会下降，即使远低于单次应力导致的损坏等级。 2．聚合物浪涌抑制器 聚合物浪涌抑制器件为消弧器件，且总是双向保护器件。它们的电容很低，对高速应用具有吸引力。但是它们的短处是导通电压高、导通阻抗性能相对较差，遭受多次应力时易于性能下降。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 3．TVS二极管 如今大多数的二极管都是采用硅制造的固态器件。它们为双端器件，很容易让一个方向上的电流流过，但在相反方向上，它们呈现高阻抗，直到两端电压达到击穿电压。二极管本质上为单向器件，保护方式为电压箝位。 二极管的特性取决于N区与P区的掺杂程度，这两个区离结点的距离远近不同。调节掺杂程度能构建反向偏置击穿电压在几百伏到仅几伏之间的二极管。设计有明确定义的反向偏置击穿电压的二极管，通常称作齐纳二极管。 基于二极管的TVS产品拥有其它ESD保护产品所不具备的多用性——可选择单向和双向保护。基本二极管是单向产品，且是仅有的单向保护元件。串联结合两个二极管就能轻易地构成双向保护。双向保护可通过共阴极或共阳极配置来实现。使用一对单向TVS器件便能实现双向保护性能。市面上有多种基于双向二极管的TVS器件，这些器件中的两个二极管均位于同一个封装，甚至经常集成在单个硅衬底上。 过去，硅TVS器件由于电容高，在保护低压高速信号线路方面存在劣势。然而，近年来的技术进步消除了这种不利因素。安森美半导体的新产品ESD9L5.0将硅器件保护的优势与高速应用要求的低电容结合在一起。这个产品的特性就像一个简单的齐纳二极管。事实上，ESD9L5.0包含一个击穿电压低的齐纳二极管和一对击穿电压高(因而电容小)的标准二极管。 保护元件的比较 表1总结了前面谈及的三类TVS器件的基本特性。选择恰当的保护器件应考虑多种因素，其中关键的决定因素就是被保护电路的特性。 对应力有不对称敏感度的电路节点，可能需要只有TVS二极管产品才能提供的单向保护。高速应用要求非常低的电容，这使得使聚合物器件具有吸引力。聚合物器件可以满足对低电容和保护能力的要求。为了让聚合物TVS产品可以用在高速应用中，，高速节点需要在瞬态高压下工作以导通聚合物TVS，并在导通模式下提供中等阻抗。 由于成本低、不要求高压导通，压敏电阻常常具有吸引力。如果它们被制造得足够大以提供具有足够低的导通阻抗，从而提供充足的保护，那么它们的电容通常对高速应用而言就太大了。TVS二极管产品具有很好的箝位能力，如今市场上也有超低电容的TVS产品，甚至适合最高速的应用。二极管也颇具吸引力，因为它们能够用作单向保护器件，匹配当今许多高速数字信号的电压范围。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

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