摘要
傳統上，過(guò)流保護使用的是保險絲。但是，保險絲體積龐大，響應速度慢，跳閘電流公差大，需要在一次或幾次跳閘後(hòu)更換。本文介紹一種(zhǒng)外形緊湊、纖薄、響應速度快的10 A電子保險絲，它沒(méi)有上述這(zhè)些無源保險絲缺點。電子保險絲可在高達48 V的DC電源軌上提供過(guò)流保護。
 
簡介
爲了盡量減少由電氣故障引起(qǐ)的系統停機時(shí)間，使用率高的電源或全年無休的系統需要在供電闆上增加過(guò)載和短路保護。當電源爲多個子系統或闆（例如RF功率放大器陣列或基于背闆的服務器和路由器）供電時(shí)，必須爲電源提供過(guò)流保護。快速斷開(kāi)發(fā)生故障的子系統與共享電源總線之間的連接，保證餘下的子系統能(néng)夠繼續正常運行，無需重新啓動或離線。
 
傳統的過(guò)流保護(OCP)是基于保險絲，但它們體積龐大、響應緩慢、公差大，并且在一次或多次跳閘後(hòu)就(jiù)需要更換。适用于DC電源的集成(chéng)電路OCP解決方案，也被(bèi)稱爲電子斷路器或電子熔斷器，則克服了這(zhè)些保險絲缺點。爲了節省電路闆空間，并具備無源保險絲的簡單性，電子保險絲中包含功率MOSFET開(kāi)關，控制電路也集成(chéng)在相同的封裝中。
 
帶内部功率MOSFET的浪湧抑制器
浪湧抑制器是一種(zhǒng)集成(chéng)電路裝置，用于控制電源線路中的N通道(dào)功率MOSFET，後(hòu)者置于DC電源（例如12 V、24 V或48 V）和需要抵禦輸入電壓和負載電流浪湧的系統電子器件之間。内置輸出電流和輸出電壓限制使浪湧抑制器能(néng)保護負載電子不受高壓輸入浪湧影響，并保護電源免于遭受下遊過(guò)載和短路。可調定時(shí)器在電壓或電流浪湧限制事(shì)件期間激活，保證系統不斷電，連續運行，以應對(duì)短暫故障。
 
如果故障的持續時(shí)間超過(guò)定時(shí)器時(shí)間，則系統斷電。
 
LTC4381是首款帶有内部功率MOSFET的浪湧抑制器。它可以采用高達72 V的供電電壓，但僅消耗6 µA靜态電流。内部功率MOSFET提供100 V漏源擊穿電壓(BVDSS)和9 mΩ導通電阻(RDS(ON))，可以支持高達100 V的輸入浪湧和10 A應用。LTC4381提供四個選項，可以選擇故障重啓行爲和固定或可調的輸出鉗位電壓。
 
48 V、10 A電子保險絲電路

圖1.48 V、10 A電子保險絲和LTC4381
 

LTC4381的浪湧抑制器功能(néng)易于擴展，可以作爲電子保險絲使用。圖1顯示48 V、10 A電子保險絲應用中的LTC4381-4，該應用保護電源不受輸出端的過(guò)載或短路影響。正常運行期間，輸出VOUT通過(guò)内部功率MOSFET和外部檢測電阻RSNS連接到電源輸入VIN。在輸出過(guò)載或短路期間，當RSNS壓降超過(guò)50 mV電流限值阈值時(shí)，TMR引腳電容電壓開(kāi)始從0 V上升，内部MOSFET在TMR電壓達到1.215 V時(shí)關閉（稍後(hòu)詳細介紹）。4 mΩ RSNS將(jiāng)典型過(guò)流阈值設置爲12.5 A (50 mV/4 mΩ)，最小阈值設置爲11.25 A (45 mV/4 mΩ)，爲10 A負載電流提供足夠餘量。

圖2.LTC4381 10 A保險絲電路采用(a) 48 V（左）和(b) 60 V（右）電源啓動220 µF負載電容
 

由于返回電路的電路或電纜的寄生電感，當内部MOSFET開(kāi)關在電流流動期間關閉時(shí)，輸入電壓會(huì)急漲至标稱工作電壓以上。齊納D1保護LTC4381 VCC引腳的80 V絕對(duì)最大額定值，而D2保護内部100 V MOSFET不受雪崩影響。D1也將(jiāng)輸出鉗位電壓設置到66.5 V (56 V + 10.5 V)，以防不使用D2。R1和C1過(guò)濾VIN升高和下降。如果有電容接近LTC4381限制電壓尖峰，低于80 V，則VCC引腳可以直接連接至VIN。在這(zhè)種(zhǒng)情況下，可以取消使用D1、D2、R1和C1。
 
正常運行期間，有10 A流過(guò)内部MOSFET時(shí)，LTC4381的初始壓降爲90 mV，功耗爲900 mW。但是，在室溫環境下，這(zhè)種(zhǒng)功耗會(huì)使DC2713A-D評估闆上的LTC4381封裝的溫度升高到約100°C，達到RDS(ON)的兩(liǎng)倍，且使壓降升高到180 mV。4 mΩ檢測電阻在10 A時(shí)再度下降40 mV。可能(néng)需要消耗更多的銅，特别是在SNS節點，以降低LTC4381的升溫。DC2713A-D SNS節點使用2.5 cm2 2盎司銅，這(zhè)些銅均勻分布在闆的兩(liǎng)個外層上，上述信息作爲參考。

圖3.LTC4381 MOSFET的安全工作區域。
 
 

啓動行爲
當ON引腳不與地相接後(hòu)，圖1中的電路啓動一個220 µF負載電容，如圖2所示，适用于48 V和60 V電源。假設60 V爲48 V電源工作範圍的上限。假設啓動期間沒(méi)有額外的負載電流的情況下，220 µF是這(zhè)個10 A電流能(néng)夠安全充電的最大負載電容。當220 µF電容按照12.5 A電流限值充電至60 V時(shí)，湧入時(shí)間爲220 µF × 60 V/12.5 A = 1.06 ms。LTC4381 MOSFET的安全工作區域(SOA)圖，如圖3所示，顯示在12.5 A和30 V下它可以正常運行1 ms。之所以使用30 V，是因爲它是平均輸入-輸出差分電壓，開(kāi)始時(shí)爲60 V，之後(hòu)降至0 V。
 
由于沒(méi)有GATE引腳電容來減緩其斜坡速率，在得到控制之前，輸出在2毫秒内充電，湧入電流達到17 A峰值，超過(guò)電流限值阈值（參見圖2）。LTC4381具有50 mV電流限值檢測阈值，或者當OUT引腳的電壓>3 V，采用4 mΩ檢測電阻時(shí)爲12.5 A，但當OUT引腳的電壓<1.5 V（如圖4所示）時(shí)，它會(huì)升高到62 mV或15.5 A。該圖還(hái)表明，在啓動過(guò)程中，如果檢測電阻中的電子負載電流降低超過(guò)20 mV（4 mΩ時(shí)5 A），輸出會(huì)保持在2 V（且TMR超時(shí)）。
 
圖2中的波形顯示，因爲缺少保持環路穩定所需的47 nF栅極電容，所以反而會(huì)對(duì)湧入電流脈沖實施調節。事(shì)實上，在60 V湧入期間，電流會(huì)斷開(kāi)約0.5 ms。LTC4381 TMR上拉電流與内部MOSFET的功耗成(chéng)正比。因此，即使電流低于電流限值阈值，在啓動湧入期間，TMR也會(huì)升高。我們故意去掉栅極電容，以使用小型TMR電容，使220 µF負載電容仍能(néng)成(chéng)功啓動。在短路故障期間，小型TMR電容會(huì)保護MOSFET，這(zhè)一點我們將(jiāng)在下一節詳細介紹。
 
最小的TMR電容爲68 nF，在60 V啓動期間保持TMR電壓上升到0.7 V左右。例如，選擇47 nF的TMR電容，允許TMR在60 V啓動期間達到1.15 V，這(zhè)非常接近1.215 V栅極關斷阈值。選擇0.7 V峰值TMR目标電壓，以從1.215 V栅極關斷阈值提供足夠餘量，同時(shí)采用以下這(zhè)些公差：TMR上拉電流±50%（LTC4381數據手冊中的ITMR(UP)規格），TMR電容±10%，1.215 V TMR栅極關斷阈值±3%（VTMR(F)規格）。

圖4.LTC4381電流限值與輸出電壓
 

表1列出了推薦最大負載電容使用的TMR電容，以在60 V啓動期間將(jiāng)TMR電壓升高限制在0.7 V左右。

 
表1.推薦用于CLOAD(MAX)的CTMR。

輸出短路行爲
圖1中的電路主要用于保護上遊電源，無論是在啓動或正常運行期間，保護電源不受過(guò)載和短路等下遊故障影響。圖5顯示在輸出端存在短路時(shí)，LTC4381啓動其MOSFET。栅極電壓（藍色曲線）升高。超過(guò)3 V阈值電壓時(shí)，MOSFET開(kāi)啓，電流（綠色曲線）開(kāi)始流動。由于輸出短路，且沒(méi)有栅極電容，MOSFET電路迅速升高，超過(guò)0 V輸出時(shí)的15.5 A電流限值阈值，并在LTC4381做出反應，下拉MOSFET栅極和關斷電流流動之前達到21 A峰值。電流超出15.5 A的時(shí)間持續不到50 µs。由于MOSFET中短暫的功耗，TMR電壓（紅色曲線）升高約200 mV。由于TMR遠低于1.215 V栅極關斷阈值，栅極再次打開(kāi)，導緻出現另一個電流尖峰。在每一個電流尖峰位置，TMR電壓升高至接近1.215 V。

圖5.啓動48 V電源的LTC4381進(jìn)入輸出短路
 

在經(jīng)曆幾次這(zhè)樣(yàng)的電流尖峰後(hòu)，TMR電壓達到1.215 V栅極關斷阈值，MOSFET保持關閉。TMR現在進(jìn)入冷卻周期，LTC4381-4不允許MOSFET再次開(kāi)啓，直到冷卻周期完成(chéng)。根據LTC4381數據手冊中的公式8，68 nF TMR電容的冷卻周期時(shí)長(cháng)爲33.3 × 0.068 = 2.3 s。由于LTC4381-4自動重試，這(zhè)樣(yàng)的電流尖峰和冷卻周期模式將(jiāng)無限次重複，直到輸出短路被(bèi)清除。在正常操作期間（即，輸出已啓動）如果發(fā)生輸出短路，該模式將(jiāng)重複出現。注意，除非添加4 µH輸入電軌電感，否則LTspice®模拟不會(huì)顯示如圖5所示的行爲。
 
結論
 
LTC4381的内部功率MOSFET爲48 V、10 A系統的電子保險絲或斷路器提供緊湊電路。如此，在設計階段無需花費時(shí)間選擇功率MOSFET。LTC4381 MOSFET的SOA經(jīng)過(guò)生産測試，每個器件都(dōu)可以保證質量，分立式MOSFET不提供這(zhè)種(zhǒng)保證。這(zhè)有助于構建一個可靠的解決方案，以保護服務器和網絡設備中價格昂貴的電子裝置。
 
由于沒(méi)有使用穩定環路的栅極電容，本文所談論的10 A電路會(huì)有一些特有的行爲，應該加以注意。具體來說，就(jiù)是在短路期間，不會(huì)出現受傳統dV/dt控制的湧入電流和脈沖電流。然而，這(zhè)些都(dōu)是短暫的瞬間事(shì)件，持續時(shí)間不到幾毫秒。輸入旁路電容可以幫助防止對(duì)48 V電源産生任何幹擾，特别是與其他電路闆共享該電源時(shí)，例如背闆。在後(hòu)一種(zhǒng)情況下，相鄰電路闆的負載電容也起(qǐ)到與輸入旁路電容相同的作用。
 
作者簡介 
Pinkesh Sachdev是ADI公司雲電源團隊的高級應用工程師。他擁有印度理工學(xué)院（印度孟買）電氣工程學(xué)士學(xué)位以及斯坦福大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。