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        發布時間:2022-4-15 11:10    發布者:eechina
        關鍵詞: 電路保護
        來源:Digi-Key
        作者:Alan Yang

        在汽車、工業、通信和航空等領域,電路系統不可避免地要在一系列惡劣的環境下工作,如過電壓、過電流、浪涌事件。本文將闡述:電路保護存在哪些挑戰,以及如何應對這些挑戰。

        電路保護的挑戰

        我們想象中的供電電壓波形可能是一條平的直線,沒有起伏,而現實中的電壓波形可能存在非常大的起伏。以汽車電子舉例,以下情況均會引起電壓很大的波動:


        圖1:汽車電子應用中,可能遇到的電路保護挑戰(圖片來源:ADI

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        圖2:理想中地電壓波形對比現實中地電壓波形(圖片來源:ADI)

        在ISO 7637-2和ISO 16750-2規范中,詳細描述了汽車行業的瞬態事件,以及如何測試。

        應對電路保護挑戰的方案有許多種,可以通過被動保護器件,如TVS管、保險絲等加以保護,也可以通過主動浪涌抑制器來加以保護。

        被動保護器件

        下圖是典型的傳統電路保護方案:


        圖3:典型地傳統電路保護保護方案 (圖片來源:ADI)

        當輸入電壓過高,可以使用瞬態電壓抑制器件,如瞬態抑制二極管(TVS),把過多的能量傳導到地。當電流過大,可以串聯保險絲,過大地電流會使保險絲熔斷,從而保護電路。

        · 瞬態電壓抑制器件

        它們結構和特性有一定的區別,但都有類似的工作方式:當電壓超過器件閾值時,分流多余的電流。


        圖4:通過TVS解決浪涌原理 (圖片來源:ADI)

        當輸入端出現過電壓情況時,TVS導通,并通過將多余的能量分流到地(GND),來保護電路免受過壓的危險。

        不同瞬態電壓抑制器件具有不同的響應時間:



        盡管TVS裝置能有效地抑制非常高的電壓偏移,但當面臨持續的過電壓事件時,它們不能免受損壞,因此需要定期監測或更換裝置。而GDT的響應時間可能只有幾微秒,但可以處理更大的浪涌。

        · 過流保護元件

        串聯保險絲,當電路電流過大時,會使保險絲熔斷,從而保護電路。但保險絲同時也帶來了維護更換的問題。解決這個問題,也可使用可復位保險絲(PTC)降低維護要求。

        可復位保險絲可以看成一個正溫度系數地電阻,電流越大,自身發熱越大,導致自身電阻急劇增加,從而達到抑制電流的效果。



        保險絲熔斷時間是一個重要的參數,在Digi-Key網站可以根據響應時間快、中、慢來選擇合適地保險絲。


        圖5:根據保險絲熔斷時間進行選型

        保險絲響應時間不是越快越好,如一些電機應用,啟動電流可能非常大,導致在啟動階段誤操作,燒壞了保險絲。同樣在更換保險絲的時候,需要注意,更換保險絲的響應時間最好和之前使用地保險絲一致,否則可能會有意想不到風險。

        當然被動保護器件不止幾種,也可以使用二極管來應對反極性連接的問題,或者通過電容電感構成的濾波器來解決較小的瞬態電流電腦。這些方法非常直觀,同時也面臨一些問題,比如面對較大的瞬態電壓電流,需要大體積得被動過保護器件,并且可能需要維護。

        主動保護器件:浪涌抑制器

        主動保護器件用得好,可以大大減少保護元器件的占地空間,并解決可能的維護困難的問題。

        主動浪涌抑制器有很多種類,可以根據開關放在芯片外面還是集成在芯片里面分分為:

        · 內部開關浪涌抑制器
        · 外部開關浪涌抑制器

        常見的應用拓撲結構,包括以下幾種:

        · 浪涌抑制器:線性

        浪涌抑制器的保護原理類似于線性穩壓器。如下圖,浪涌抑制器監測輸入電壓和電流。保護閾值由連接輸出端的反饋網絡決定。通過調節N溝道MOS管柵極,從而將MOS管輸出電壓鉗制在相應的范圍。


        圖6:浪涌抑制器:線性(圖片來源:ADI)

        同時為了保護MOS管,一般通過一個電容故障定時器(TMR)來限制MOS管在高損耗區花費的時間。定時器本質上是一個對地電容器。當發生過電壓情況時,內部電流源開始給外部電容充電。一旦這個電容達到一定的閾值電壓,關閉MOS管。

        對于過流保護,如上圖,一般通過一個電流檢測電阻來監測。當過流情況出現,通過調節MOS管柵極來保證電流在限制范圍之內。

        → 典型芯片:LT4363

        · 浪涌抑制器:開關

        對于高功率應用,開關浪涌抑制器是一個不錯的選擇。其原理與開關電源、DC-DC轉換器類似。閾值由輸出端的反饋網絡決定,通過調節N溝道MOS管柵極,將MOS管的輸出電壓鉗制在電阻分壓器設置的電平。


        圖7:浪涌抑制器:開關(圖片來源:ADI)

        與線性浪涌抑制器一樣,它也用一個故障定時器(TMR),來保護MOS管。上圖的綠線是電容上的累積電壓,我們可以看到,這個電壓隨著浪涌的出現開始累積,直至浪涌結束開始釋放。

        → 典型芯片:LTC7860

        · 浪涌抑制器:門限電壓

        這種浪涌抑制器的閾值,不由輸入電壓與反饋網絡決定。而是通過設置內部鉗位電壓(也可以外加一個肖特基二極管來設置鉗位電壓),來限制住MOS管柵極電壓。而MOS管的閾值電壓決定輸出電壓極限。


        圖8:浪涌抑制器:門限電壓 (圖片來源:ADI)

        例如,使用內部31.5V的柵極鉗位和5V的MOS管閾值電壓,輸出電壓被限制為26.5V。

        → 典型芯片:LTC4380

        · 保護控制器:輸出斷開

        與浪涌抑制器一樣,監測過輸入電壓和電流的情況,但他不是鉗制或調節輸出,而是立即斷開輸出以保護下游電子設備。這種簡單的保護電路可以有一個非常緊湊的封裝,適合電池供電,便攜式設備等應用領域。


        圖9:保護控制器:輸出斷開 (圖片來源:ADI)

        如上圖,保護控制器通過分壓電阻來監測輸入電壓,形成一個從UV到OV地電壓窗口。當輸入電壓超出電壓窗口范圍,馬上通過MOS管斷開輸出。

        如上圖,該方案使用背靠背MOS管,可以有效防止電壓地反向輸入。輸出端的電流檢測電阻,通過持續監測正向電流來實現過電流保護功能。

        → 典型芯片:LTC4368

        本文小結

        電路保護有各式各樣種,我們將他們的類型和特性總結如下:

        · 被動保護器件



        · 主動浪涌抑制器



        如果想最大限度地減少下游電子設備的停機時間,可以重點關注一下線性型或者開關型浪涌抑制器。

        當然,對應地電路保護器件不止這些。最重要的是,首先要了解你的項目中可能會出現的過電壓、過電流、浪涌等各種潛在的危險情況,然后再根據項目具體的要求——如可靠性、反應速度、產品尺寸等要求——對癥下藥,合理選擇合適的電路保護方案,這樣才能事半功倍。
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