浪涌抑制器技术如何为精密电子系统提供过流保护

汽车、工业、通信……智能化和电气化正在越来越多的行业中应用发展，电子系统精密而敏感，为尽量减少由瞬变电压电流引起的系统停机及财产损失，使用率高的电源或全年无休的系统需要在供电板上增加浪涌抑制保护。

浪涌也叫突波，指超出正常工作电压的瞬间过电压或电流。浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。电子系统中出现浪涌事件的情况复杂多变：短路、大型发动机、雷击感应瞬变影响、热插拔的电源连接都可能导致浪涌，并且持续的时间从几微秒到几百毫秒不等。如何设计灵活可靠的保护机制以确保下游成本高昂的电子器件的使用寿命？本文将以亚德诺半导体（ADI）的浪涌抑制器方案为例，讲解如何为电路选择合适的过流保护。

图1. 浪涌产生时的短暂时间（ns级）

不再传统的过流保护设计

传统的无源过流保护(OCP)往往基于保险丝，其熔断额定值高于标称值，例如，比最大额定电流高20%（百分比取决于电路类型以及预期的典型操作负载）。保险丝设计相当简单，但由于其一旦烧断就必须更换的特性，维护相对复杂。特别是在难以接触的位置，后期还是会耗费额外时间和成本。除维护问题外，另一个麻烦在于其反应时间，根据所选保险丝的类型，反应时间可能有很大差异，而且总体响应速度慢，不适用于与时俱进的灵活电子系统。

过流保护也在进步——浪涌抑制器为系统带来了更多可靠性，这是一种集成电路装置，内置输出电流限制使浪涌抑制器能保护负载不受输入浪涌影响，并保护电源免于遭受下游过载和短路。浪涌抑制器可用于控制电源线路中的N通道功率MOSFET，后者置于DC电源（例如12 V、24 V或48 V）和需要抵御负载电流浪涌的系统电子器件之间，只需确定少数几个元器件的尺寸和让它们通过质量认证，极大地简化了系统设计。可调定时器在电流浪涌限制事件期间激活，保证系统连续运行以应对短暂故障，如果故障的持续时间超过定时器时间，则系统断电，克服了传统保险丝保护解决方案面临的挑战和存在的缺点。

图2.浪涌抑制器配置的简化示意图

图二显示了浪涌抑制器配置的简化示意图，在浪涌发生期间，一些浪涌抑制器使用串联感应电阻（图二中的断路器）来监测过流情况，并调整N通道MOSFET的栅极，以限制输出负载端的电流。

ADI公司提供的LTC4381是首款带有内部功率MOSFET的浪涌抑制器。它可以采用高达72 V的供电电压，但仅消耗6 µA静态电流。内部功率MOSFET提供100 V漏源击穿电压(BVDSS)和9 mΩ导通电阻(RDS(ON))，可以支持高达 100 V的输入浪涌和10 A应用。LTC4381提供四个选项，可以选择故障重启行为和固定或可调的输出钳位电压。

图3. 48 V、10 A电子保险丝和LTC4381-4电路

LTC4381的浪涌抑制器功能易于扩展，可以作为电子保险丝使用。图三展示了48 V、10 A电子保险丝应用中的LTC4381-4，该应用保护电源不受输出端的过载或短路影响。正常运行期间，输出VOUT通过内部功率MOSFET和外部检测电阻RSNS连接到电源输入VIN。在输出过载或短路期间，当RSNS压降超过50 mV电流限值阈值时，TMR 引脚电容电压开始从0 V上升，内部MOSFET在TMR电压达到1.215 V 时关闭。4 mΩ RSNS将典型过流阈值设置为12.5 A (50 mV/4 mΩ)，最小阈值设置为11.25 A (45 mV/4 mΩ)，为10 A负载电流提供足够余量。

由于返回电路的电路或电缆的寄生电感，当内部MOSFET开关在电流流动期间关闭时，输入电压会急涨至标称工作电压以上。齐纳D1保护LTC4381 VCC引脚的80 V绝对最大额定值，而D2保护内部 100 V MOSFET不受雪崩影响。D1也将输出钳位电压设置到66.5 V (56 V + 10.5 V)，以防不使用D2。R1和C1过滤VIN升高和下降。如果有电容 接近LTC4381限制电压尖峰，低于80 V，则VCC引脚可以直接连接至 VIN。在这种情况下，可以取消使用D1、D2、R1和C1。

LTC4381的输出电路短路保护

图三的电路主要用于保护上游电源，无论是在启动或正常运行期间，保护电源不受过载和短路等下游故障影响。图四则显示了在输出端存在短路时，LTC4381启动，小型TMR电容如何保护MOSFET的情况。栅极电压（蓝色曲线）升高。超过3 V阈值电压时，MOSFET开启，电流（绿色曲线）开始流动。由于输出短路，且没有栅极电容，MOSFET电路迅速升高，超过0 V输出时的15.5 A电流限值阈值，并在LTC4381做 出反应，下拉MOSFET栅极和关断电流流动之前达到21 A峰值。电流超出15.5 A的时间持续不到50 µs。由于MOSFET中短暂的功耗， TMR电压（红色曲线）升高约200 mV。由于TMR远低于1.215 V栅极关断阈值，栅极再次打开，导致出现另一个电流尖峰。在每一个电流尖峰位置，TMR电压升高至接近1.215 V。

图4. 启动48 V电源的LTC4381进入输出短路。

在经历几次这样的电流尖峰后，TMR电压达到1.215 V栅极关断阈值，MOSFET保持关闭。TMR现在进入冷却周期，LTC4381-4不允许MOSFET再次开启，直到冷却周期完成。由于LTC4381-4自动重试，这样的电流尖峰和冷却周期模式将无限次重复，直到输出短路被清除。在正常操作期间（即，输出已启动）如果发生输出短路，该模式将重复出现。

结语

所有行业的制造商都在不断推动提升高端性能，人们越来越要求对这些在严苛环境中运行的器件提供保护。ADI LTC4381的内部功率MOSFET为48 V、10 A系统的电子保险丝提供紧凑电路，在设计阶段无需花费时间选择功率 MOSFET，有助于快速构建一个可靠的解决方案，以保护系统中价格昂贵的电子装置。