問題：
有什麼(me)有源電路保護方案可以取代TVS二極管和保險絲？

答案：
可以試試浪湧抑制器。

摘要
所有行業的制造商都(dōu)在不斷推動提升高端性能(néng)，同時(shí)試圖在此類創新與成(chéng)熟可靠的解決方案之間達成(chéng)平衡。設計人員面(miàn)臨著(zhe)平衡設計複雜性、可靠性和成(chéng)本這(zhè)一困難任務。以一個電子保護子系統爲例，受其特性限制，無法進(jìn)行創新。這(zhè)些系統保護敏感且成(chéng)本高昂的下遊電子器件（FPGA、ASIC和微處理器），這(zhè)些器件都(dōu)要求保證零故障。

許多傳統的可靠保護解決方案（例如二極管、保險絲和TVS器件）能(néng)夠保持待保護狀态，但它們通常低效、體積龐大且需要維護。爲了解決這(zhè)些不足，有源智能(néng)保護IC應運而生，它們能(néng)夠達到傳統方法的保護要求，而且從有些方面(miàn)來看，它們更加可靠。但是器件種(zhǒng)類繁多，所以，設計人員面(miàn)臨的最困難的問題就(jiù)是選擇合适的解決方案。

爲了幫助設計人員縮小選擇範圍，本文對(duì)傳統保護方法和ADI保護産品系列進(jìn)行比較，以展示這(zhè)些産品和建議應用的特性。

簡介

随著(zhe)所有行業中電子器件的使用數量不斷增加，且成(chéng)本高昂的FPGA和處理器的處理功能(néng)不斷擴展，人們越來越要求對(duì)這(zhè)些在嚴苛環境中運行的器件提供保護。此外，還(hái)需要它們體積小巧、可靠性高，能(néng)夠快速響應過(guò)壓和過(guò)流浪湧事(shì)件。本文探讨了許多應用面(miàn)臨的挑戰，以及爲何需要保護，比較了傳統的保護方法和更新的可替代解決方案，後(hòu)者具有更高的精度、可靠性和設計靈活性。

爲何考慮使用電壓和電流保護器件？

汽車、工業、通信和航空電子系統需經(jīng)受一系列電源浪湧，例如圖1所示的這(zhè)些。在這(zhè)些市場中，許多行業規範都(dōu)對(duì)瞬态事(shì)件進(jìn)行了定義。例如，ISO 7637-2和ISO 16750-2規範定義了汽車瞬态，詳細概述了預期瞬變，以及确保持續驗證這(zhè)些瞬變的測試步驟。

浪湧事(shì)件的類型和所含能(néng)量會(huì)因電子器件的使用區域而異；電路可能(néng)遭受過(guò)壓、過(guò)流、反向(xiàng)電壓和反向(xiàng)電流等情況。最後(hòu)，如果要直接經(jīng)受圖1所示的這(zhè)些瞬變條件，許多電路都(dōu)無法維持，更不用說獨立運行，所以設計人員必須考慮所有輸入情況，并采取可以保護電路不受電壓和電流浪湧影響的機制。

圖1.一些更嚴格的ISO 16750-2測試的概述

設計挑戰

有很多不同原因會(huì)引發(fā)電子系統中出現瞬變電壓和電流，但有些電子環境比其他環境更容易發(fā)生瞬變事(shì)件。衆所周知，汽車、工業和通信環境中的應用會(huì)經(jīng)受有潛在危害的事(shì)件，對(duì)下遊電子器件造成(chéng)嚴重損壞，但浪湧事(shì)件并不隻是在這(zhè)些環境下發(fā)生。其他可能(néng)需要浪湧保護電路的情況包括：需要高壓或大電流電源的應用、采用熱插拔電源連接的應用，或者包含電機或可能(néng)受到雷擊感應瞬變影響的系統。高壓事(shì)件持續的時(shí)間不等，從幾微秒到幾百毫秒都(dōu)有可能(néng)，所以必須采用靈活可靠的保護機制來确保下遊成(chéng)本高昂的電子器件的使用壽命。

例如，當交流發(fā)電機（爲電池充電）與電池暫時(shí)斷開(kāi)時(shí)，會(huì)發(fā)生汽車負載突降。發(fā)生這(zhè)種(zhǒng)斷開(kāi)後(hòu)，交流發(fā)電機提供的滿負荷充電電流會(huì)傳輸至電源軌，使電源軌電壓在數百毫秒内攀升到極高(>100 V)水平。

有多種(zhǒng)原因可能(néng)導緻通信應用發(fā)生浪湧，從熱插拔通信卡到可能(néng)受到雷電影響的戶外裝置，涉及多種(zhǒng)應用。大型設施中使用的長(cháng)電纜也可能(néng)産生感應電壓尖峰。

最終，設計人員必須充分了解器件的使用環境，并滿足既有的規範要求，這(zhè)有助于他們綜合考慮所有故障類型以采用最佳的保護機制，使其可靠且不會(huì)産生幹擾，但允許下遊電子器件能(néng)夠在安全電壓範圍内運行，且保證最低中斷。

傳統保護電路

在需要考慮如此多種(zhǒng)不同類型的電子問題的情況下，電子工程師應如何保護敏感的下遊電子器件？

傳統保護方法基于多個器件提供保護，而不是基于一個，例如，采用瞬變電壓抑制器(TVS)提供過(guò)壓保護，采用線路保險絲提供過(guò)流保護，采用串聯二極管提供反向(xiàng)電池/電源保護，以及混合使用電容和電感來過(guò)濾更低的電能(néng)尖峰。雖然離散配置可以滿足既定的規範要求（保護下遊電路），但它實施起(qǐ)來很麻煩，需要進(jìn)行多次選擇來确定合适的濾波規格。

圖2.傳統保護器件

我們來仔細了解一下這(zhè)些器件，弄清楚這(zhè)種(zhǒng)實施方法的優點和缺點。

TVS——瞬變電壓抑制器

這(zhè)是一種(zhǒng)相對(duì)簡單的器件，可以保護下遊電路不受電源上的高壓尖峰影響。它們可以分爲幾種(zhǒng)不同的類型，具有廣泛的特性（表1按響應時(shí)間從最短到最長(cháng)的順序排列）。

表1.不同瞬變電壓抑制器件的響應時(shí)間

雖然它們的結構和特性各異，但使用方式是相似的：當電壓超過(guò)器件阈值時(shí)，分流多餘的電流。TVS可以在極短時(shí)間内將(jiāng)輸出電壓固定在額定水平。例如，TVS二極管的響應時(shí)間可以低至皮秒，GDT的響應時(shí)間則可能(néng)有幾微秒，但可以處理更大的浪湧。

圖3顯示了用于保護下遊電路的TVS二極管的簡單配置。在正常工作條件下，TVS具有高阻抗，輸入電壓會(huì)直接傳輸至輸出。當輸入端出現過(guò)壓時(shí)，TVS開(kāi)始導電，并將(jiāng)多餘的電能(néng)分流到接地(GND)，從而箝位下遊負載電壓。電源軌電壓升高到典型操作值以上，但被(bèi)箝位到保證下遊電路可以安全運行的值。

雖然TVS器件在抑制極高電壓偏移方面(miàn)很有效，但在遭受持續過(guò)壓時(shí)，也不能(néng)避免損壞，因此需要定期監測或更換。另一個擔心是TVS可能(néng)短路，導緻輸入電源斷開(kāi)。此外，根據涉及的電能(néng)大小，它們的尺寸可能(néng)需要很大才能(néng)滿足裕量要求，導緻解決方案的尺寸相應增大。即使TVS的尺寸正确，下遊電路也必須要能(néng)夠處理箝位電壓，對(duì)下遊的電壓額定要求也随之增高。

圖3.用傳統的TVS解決方案保護電壓浪湧

線路保險絲

過(guò)流保護可以使用常見的線路保險絲實現，其熔斷額定值高于标稱值，例如，比最大額定電流高20%（百分比取決于電路類型以及預期的典型操作負載）。當然，保險絲最大的問題是一旦燒斷就(jiù)必須更換。保險絲設計相當簡單，但維護相對(duì)複雜，特别是在難以接觸的位置，所以後(hòu)期還(hái)是會(huì)耗費時(shí)間和成(chéng)本。使用備用保險絲（例如可複位保險絲）可以減少維護要求，它會(huì)在高于标稱電流的電流流經(jīng)器件時(shí)，利用正溫度系數打開(kāi)電路（電流增高之後(hòu)會(huì)令溫度增高，導緻電阻急劇升高）。

除維護問題外，保險絲最大的問題之一是其反應時(shí)間，根據所選保險絲的類型，反應時(shí)間可能(néng)有很大差異。我們可以使用快速熔斷保險絲，但熔斷時(shí)間（打開(kāi)電路的時(shí)間）仍然可能(néng)需要幾百微秒到毫秒，所以電路設計人員必須考慮這(zhè)些時(shí)間段内釋放的電能(néng)大小，保證下遊電子器件不被(bèi)損壞。

串聯二極管

在某些環境中，電路可能(néng)斷開(kāi)，然後(hòu)重新連接——例如，在電池供電環境中。在這(zhè)種(zhǒng)情況下，電源重新連接時(shí)不能(néng)保證極性是正确的。我們可以通過(guò)在電路的正極供電線上增加一個串聯二極管來實現極性保護。雖然這(zhè)種(zhǒng)簡單的增加可以有效防止反向(xiàng)極性，但串聯二極管的壓降會(huì)導緻相應的功率損耗。在電流相對(duì)較低的電路中，這(zhè)種(zhǒng)取舍很小，但對(duì)于許多現代化的高電流電軌，則需要采用另一種(zhǒng)解決方案。圖4是對(duì)圖3的更新，顯示利用TVS和增加的串聯二極管來防止出現反向(xiàng)極性連接。

圖4.增加串聯二極管可以防止反向(xiàng)極性連接，但在大電流系統中，二極管的壓降可能(néng)是一大問題

使用電感和電容的濾波器

目前所讨論的無源解決方案都(dōu)是通過(guò)限制幅度，但通常隻能(néng)捕捉更大的幅度，會(huì)放過(guò)更小的一些尖峰。這(zhè)些較小的瞬變仍然會(huì)對(duì)下遊電路造成(chéng)損壞，因此需要使用額外的無源濾波器來平緩尖峰。這(zhè)可以通過(guò)使用離散電感和電容來實現，通過(guò)調整它們的尺寸，讓它們衰減超出頻率範圍的電壓。在設計之前，需要對(duì)濾波器設計進(jìn)行測試和測量，确定它們的尺寸和頻率，然後(hòu)才能(néng)正确确定濾波器的尺寸。這(zhè)種(zhǒng)方法的缺點在于，需要考慮物料成(chéng)本和面(miàn)積要求（元器件的闆面(miàn)積和成(chéng)本要達到多少才能(néng)達到濾波水平），以及是否需要過(guò)度設計（确定元器件的公差，以能(néng)夠在随時(shí)間和溫度變化時(shí)提供補償）。

使用浪湧抑制器提供有源保護

要克服所述的無源保護解決方案面(miàn)臨的挑戰和存在的缺點，方法之一是轉爲使用浪湧抑制器IC。浪湧抑制器采用易于使用的控制器IC和串聯N通道(dào)MOSFET，因此無需使用繁雜的分流電路（TVS器件、保險絲、電感和電容）。因爲隻需确定少數幾個元器件的尺寸和讓它們通過(guò)質量認證，所以浪湧抑制器控制器可以極大地簡化系統設計。

浪湧抑制器持續監測輸入電壓和電流。在額定工作條件下，控制器驅動N通道(dào)MOSFET通路器件的栅極完全開(kāi)啓，提供一條從輸入到輸出的低阻抗路徑。在發(fā)生過(guò)壓或浪湧時(shí)（阈值由輸出端的反饋網絡給出），IC調節N通道(dào)MOSFET的栅極，將(jiāng)MOSFET的輸出電壓箝位到電阻分壓器設定的電平。

圖5顯示了浪湧抑制器配置的簡化示意圖，以及标稱12 V電源軌上出現100 V輸入浪湧時(shí)的結果。在浪湧發(fā)生期間，浪湧抑制器電路的輸出被(bèi)箝位到27 V。一些浪湧抑制器也使用串聯感應電阻（圖5中的斷路器）來監測過(guò)流情況，并調整N通道(dào)MOSFET的栅極，以限制輸出負載端的電流。

圖5.浪湧抑制器配置的詳細示意圖

根據對(duì)過(guò)壓事(shì)件的響應，可以將(jiāng)浪湧抑制器分爲四大類：

• 線性浪湧抑制器

• 栅極箝位

• 開(kāi)關浪湧抑制器

• 輸出斷開(kāi)保護控制器

浪湧抑制器應基于應用進(jìn)行選擇，所以，我們來比較一下它們的操作和優點。

浪湧抑制器類型：線性

線性浪湧抑制器驅動串聯MOSFET的方式和線性穩壓器比較類似，是將(jiāng)輸出電壓限制在預先設置的安全值，并耗散MOSFET中的多餘能(néng)量。爲了保護MOSFET，該器件通過(guò)采用電容故障定時(shí)器來限制在高耗散區花費的時(shí)間。

圖6.LT4363線性浪湧抑制器

浪湧抑制器類型：栅極箝位

栅極箝位浪湧抑制器利用内部或外部箝位（例如，31.5 V或50 V内部箝位，或可調的外部箝位）將(jiāng)栅極引腳的電壓限制到這(zhè)個電壓值，然後(hòu)，由MOSFET的阈值電壓決定輸出電壓限值。例如，在使用内部31.5 V栅極箝位，且MOSFET阈值電壓爲5 V時(shí)，輸出電壓限制爲26.5 V。或者，外部栅極箝位允許更廣泛的電壓選擇範圍。栅極箝位浪湧抑制器的示例如圖7所示。

圖7.LTC4380栅極箝位浪湧抑制器。

浪湧抑制器類型：開(kāi)關

對(duì)于更高功率的應用，開(kāi)關浪湧抑制器是一個很好(hǎo)的選擇。與線性和栅極箝位浪湧抑制器一樣(yàng)，開(kāi)關浪湧抑制器在正常操作條件下可以充分增強調整FET，以在輸入和輸出之間提供一個低阻路徑（最小化功率損耗）。開(kāi)關浪湧抑制器和線性或栅極箝位浪湧抑制器之間的主要區别出現在檢測到浪湧事(shì)件時(shí)。在浪湧事(shì)件中，開(kāi)關浪湧抑制器是通過(guò)開(kāi)關外部MOSFET（比較類似于開(kāi)關DC-DC轉換器），將(jiāng)輸出調節到箝位電壓。

圖8.LTC7860開(kāi)關浪湧抑制器

保護控制器：輸出斷開(kāi)

保護控制器不是真正的浪湧抑制器，但它确實能(néng)停止浪湧。和浪湧抑制器一樣(yàng)，保護控制器監測過(guò)壓和過(guò)流條件，但它不會(huì)箝位或調節輸出，而是通過(guò)立即斷開(kāi)輸出來保護下遊電子器件。這(zhè)種(zhǒng)簡單保護電路的布局緊湊，非常适合由電池供電的便攜式應用。LTC4368保護控制器的簡化示意圖，以及它對(duì)過(guò)壓事(shì)件的響應如圖9所示。保護控制器有許多版本。

圖9.LTC4368保護控制器

保護控制器會(huì)監測輸入電壓，确保電壓保持在OV/UV引腳的電阻分壓器所配置的電壓範圍内，當輸入電壓超過(guò)這(zhè)個範圍時(shí)，利用背對(duì)背MOSFET斷開(kāi)輸出，如圖9所示。背對(duì)背MOSFET也可用于防止反向(xiàng)輸入。輸出端的感應電阻通過(guò)持續監測正向(xiàng)電流來實現過(guò)流保護，但不需要基于計時(shí)器的穿越操作。

浪湧抑制器特性
爲了給您的應用選擇最合适的浪湧抑制器，您需要知道(dào)有哪些可用特性，以及它們可以幫助解決哪些挑戰。您可以在參數表中查找這(zhè)些器件。

斷開(kāi)與穿越
一些應用要求在檢測到浪湧事(shì)件時(shí)斷開(kāi)輸出和輸入的連接。在這(zhè)種(zhǒng)情況下，需要斷開(kāi)過(guò)壓連接。如果您需要輸出在浪湧事(shì)件發(fā)生時(shí)保持正常運行，從而最大限度減少下遊電子設備的停機時(shí)間，則需要浪湧抑制器在發(fā)生浪湧時(shí)進(jìn)行穿越。在這(zhè)種(zhǒng)情況下，使用線性或開(kāi)關浪湧抑制器可以實現這(zhè)一功能(néng)（前提是，對(duì)于拓撲和所選的FET，功率電平是合理的）。

故障定時(shí)器
實施穿越時(shí)，需要對(duì)MOSFET提供保護，以防它受到持續浪湧影響。爲了确保留在FET的安全工作區(SOA)内，可以使用定時(shí)器。定時(shí)器本質上是一個接地電容。發(fā)生過(guò)壓時(shí)，内部電流源開(kāi)始爲這(zhè)個外部電容充電。電容達到一定的阈值電壓時(shí)，數字故障引腳拉低，表明受時(shí)間延長(cháng)的過(guò)壓影響，調整管將(jiāng)很快關閉。如果定時(shí)器引腳電壓繼續上升到二級阈值，栅極引腳將(jiāng)拉低，以關閉MOSFET。

定時(shí)器電壓的變化率随通過(guò)MOSFET的電壓而變化，也就(jiù)是說，電壓越大，時(shí)間越短，電壓越小，時(shí)間越長(cháng)。這(zhè)個有用特性使器件能(néng)夠平穩度過(guò)短時(shí)過(guò)壓事(shì)件，允許下遊元器件保持運行，同時(shí)保護MOSFET不因持續時(shí)間更長(cháng)的過(guò)壓事(shì)件出現損壞。有些器件具有重試功能(néng)，使器件能(néng)在冷卻之後(hòu)再次打開(kāi)輸出。

過(guò)流保護

許多浪湧抑制器都(dōu)能(néng)夠監測電流和保護器件不受過(guò)流事(shì)件影響。這(zhè)是通過(guò)監測串聯感應電阻上的壓降并作出适當響應來實現的。也可以通過(guò)監測和控制浪湧電流來保護MOSFET。其響應可能(néng)與過(guò)壓情況類似，這(zhè)是因爲如果電路能(néng)夠接受這(zhè)種(zhǒng)功率電平，那麼(me)它要麼(me)通過(guò)闩鎖斷開(kāi)，要麼(me)通過(guò)穿越事(shì)件來斷開(kāi)。

反向(xiàng)輸入保護

浪湧抑制器具有廣泛的操作能(néng)力（能(néng)夠承受某些器件上高達60 V的地下電壓），所以能(néng)夠提供反向(xiàng)輸入保護。圖10顯示了提供反向(xiàng)電流保護的背對(duì)背MOSFET配置。在正常運行期間，Q2和Q1由栅極引腳開(kāi)啓，Q3不産生任何影響。但是，出現反向(xiàng)電壓連接時(shí)，Q3開(kāi)啓，將(jiāng)Q2的栅極下拉至負輸入并隔離Q1，以保護輸出。

也可以通過(guò)可靠的器件引腳保護來實現反向(xiàng)輸出電壓保護，根據所選的器件，可以承受高達20 V的接地電壓。

圖10.LT4363反向(xiàng)輸入保護電路

對(duì)于需要寬輸入電壓範圍的應用，可以使用浮動拓撲浪湧抑制器。發(fā)生浪湧事(shì)件時(shí)，浪湧抑制器IC會(huì)監控整個浪湧電壓，由内部晶體管技術限制IC的電壓範圍。使用浮動浪湧抑制器（例如LTC4366）時(shí)，IC浮動剛好(hǎo)低于輸出電壓，爲其提供更廣泛的工作電壓範圍。電源回流線中包含一個電阻(VSS)，允許IC随電源電壓浮動。如此，由外部元器件和MOSFET的電壓功能(néng)設置輸入電壓限值。圖11顯示的應用電路可以在保護後(hòu)端負載時(shí)，使用極高的直流電源正常運行。

圖11.LTC4366高壓浮動拓撲

爲我的應用選擇正确的器件

由于浪湧抑制器本身采用可靠設計，所以能(néng)從很多方面(miàn)簡化保護電路的設計。數據手冊已顯示許多可能(néng)的應用，在确定元器件尺寸時(shí)，能(néng)夠提供很大幫助。最困難的部分可能(néng)是選擇最合适的器件。您可以遵循以下幾個步驟來縮小範圍：

• 訪問ADI的保護器件系列參數表。

• 選擇輸入電壓範圍。

• 選擇通道(dào)數量。

• 篩選功能(néng)，縮小可行選項的範圍。

和所有産品選型一樣(yàng)，在查找正确的器件前，您需要了解您的系統要求，這(zhè)點非常重要。一些重要的考慮因素包括：預期的電源電壓和下遊電子器件的電壓容限（在決定箝位電壓時(shí)非常重要），以及對(duì)設計而言非常重要的一些特性。

以下是一些經(jīng)過(guò)篩選的參數表示例，供大家參考。大家可以訪問網站，在網站上進(jìn)一步更改這(zhè)些參數表，可以添加一些其他參數。

• 高壓浪湧抑制器器件請參見這(zhè)裡(lǐ)。

• 具有過(guò)壓斷開(kāi)功能(néng)的保護控制器請參見這(zhè)裡(lǐ)。

結論

無論采用哪種(zhǒng)類型的浪湧抑制器，基于IC的有源浪湧抑制器設計都(dōu)無需使用繁雜的TVS二極管，或使用大尺寸電感和電容來進(jìn)行濾波。所以，解決方案的整體面(miàn)積更小，體積也更小巧。相比TVS，其輸出電壓箝位精度可能(néng)高出1%至2%。如此可以防止過(guò)度設計，且能(néng)夠選擇公差更嚴格的下遊器件。

ADI提供的系統保護器件系列讓設計人員能(néng)夠采用可靠、靈活且小巧的解決方案爲下遊器件提供保護，尤其是對(duì)于工業、汽車、航空航天和通信設計中可能(néng)面(miàn)臨嚴苛的過(guò)壓和過(guò)流事(shì)件的器件。

參考資料
 “AN-9768：瞬變抑制器件和原則。”Littelfuse，1998年1月。

 “Fuseology。”乘用車解決方案目錄，Littelfuse，2014年。

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David Megaw。“爲汽車電子系統提供供電和保護，無開(kāi)關噪聲，效率高達99.9%。”模拟對(duì)話，第54卷第1期，2020年2月。

Wu Bin、Zhongming Ye。“用于惡劣汽車環境的全面(miàn)電源系統設計占用空間極小，可節約電池電量且具有低EMI特性。”模拟對(duì)話，第53卷第3期，2019年8月。