如何選擇合適的電路保護

作者:ADI應用工程師Diarmuid Carey


問題:

有什麼主動電路保護方案可以取代TVS二極體和保險絲?

RAQ Issue: 187

答案:

可以試試湧浪抑制器。

摘要

所有產業的製造商都在不斷推動提升高階性能,同時試圖在此類創新與成熟可靠的解決方案之間達成平衡。設計人員面臨著平衡設計複雜性、可靠性和成本這一困難任務。以一個電子保護子系統為例,受其特性限制,無法進行創新。這些系統保護敏感且成本高昂的下游電子元件(FPGA、ASIC和微處理器),這些元件都要求保證零故障。

許多傳統的可靠保護解決方案(例如二極體、保險絲和TVS元件)能夠保持待保護狀態,但它們通常低效、體積龐大且需要維護。為了因應這些不足,主動智慧保護IC應運而生,它們能夠達到傳統方法的保護要求,而且從某些方面來看,它們更加可靠。但是元件種類繁多,所以,設計人員面臨的困難的問題就是選擇合適的解決方案。

為了幫助設計人員縮小選擇範圍,本文對傳統保護方法和ADI保護產品系列進行比較,以展示這些產品和建議應用的特性。

簡介

隨著所有產業中電子元件的使用數量不斷增加,且成本高昂的FPGA和處理器的處理功能不斷擴展,人們越來越要求對這些在嚴苛環境中運行的元件提供保護。此外,還需要它們體積小巧、可靠性高,能夠快速回應過壓和過流湧浪事件。本文探討了許多應用面臨的挑戰,以及為何需要保護,比較了傳統的保護方法和更新的可替代解決方案,後者具有更高的精度、可靠性和設計靈活性。

為何考慮使用電壓和電流保護元件?

汽車、工業、通訊和航空電子系統需經受一系列電源湧浪,例如圖1所示的這些。在這些市場中,許多產業規範都對瞬變事件進行了定義。例如, ISO 7637-2ISO 16750-2 規範定義了汽車瞬變,詳細概述了預期瞬變,以及確保持續驗證這些瞬變的測試步驟。

湧浪事件的類型和所含能量會因電子元件的使用區域而異;電路可能遭受過壓、過流、反向電壓和反向電流等情況。最後,如果要直接經歷圖1所示的這些瞬變條件,許多電路都無法維持,更不用說獨立運行,所以設計人員必須考慮所有輸入情況,並採取可以保護電路不受電壓和電流湧浪影響的機制。

Figure 1. Overview of some of the tougher ISO 16750-2 tests.
圖1.一些更嚴格的ISO 16750-2測試的概述。

設計挑戰

有很多不同原因會引發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生瞬變事件。眾所周知,汽車、工業和通訊環境中的應用會經歷有潛在危害的事件,對下游電子元件造成嚴重損壞,但湧浪事件並不只是在這些環境下發生。其他可能需要湧浪保護電路的情況包括:需要高壓或大電流電源的應用、採用熱插拔電源連接的應用,或者包含電機或可能受到雷擊感應瞬變影響的系統。高壓事件持續的時間不等,從幾微秒到幾百毫秒都有可能,所以必須採用彈性可靠的保護機制來確保下游成本高昂的電子元件的使用壽命。

例如,當交流發電機(為電池充電)與電池暫時斷開時,會發生汽車負載突降。發生這種斷開後,交流發電機提供的滿負荷充電電流會傳輸至電源軌,使電源軌電壓在數百毫秒內攀升到極高(>100 V)水準。

有多種原因可能導致通訊應用發生湧浪,從熱插拔通訊卡到可能受到雷電影響的戶外裝置,涉及多種應用。大型設施中使用的長電纜也可能產生感應電壓尖峰。

最終,設計人員必須充分瞭解元件的使用環境,並滿足既有的規範要求,這有助於他們組合採用優質的保護機制,可靠且不會產生干擾,但允許下游電子元件能夠在安全電壓範圍內運行,且保證最低中斷。

傳統保護電路

在需要考慮如此多種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游電子元件?

傳統保護方法基於多個元件提供保護,而不是基於單一個,例如,採用瞬變電壓抑制器(TVS)提供過壓保護,採用線路保險絲提供過流保護,採用串聯二極體提供反向電池/電源保護,以及混合使用電容和電感來過濾更低的電能尖峰。雖然離散配置可以滿足既定的規範要求(保護下游電路),但它實施起來很麻煩,需要進行多次選擇來確定合適的濾波規格。

Figure 2. Traditional protection devices.
圖2.傳統保護元件。

我們來仔細瞭解一下這些元件,弄清楚這種實施方法的優點和缺點。

TVS——瞬變電壓抑制器

這是一種相對簡單的元件,可以保護下游電路不受電源上的高壓尖峰影響。它們可以分為幾種不同的類型,具有廣泛的特性(表1按回應時間從最短到最長的順序排列)。

表1.不同瞬變電壓抑制元件的回應時間
瞬變電壓抑制元件 回應時間
TVS二極體 ~1 ps
金屬氧化物壓敏電阻(MOV) ~1 ns
雪崩二極體/齊納二極體 <1 µs
氣體放電管(GDT) <5 µs

雖然它們的結構和特性各異,但使用方式是相似的:當電壓超過元件閾值時,分流多餘的電流。TVS可以在極短時間內將輸出電壓固定在額定水準。例如,TVS二極體的回應時間可以低至皮秒,GDT的回應時間則可能有幾微秒,但可以處理更大的湧浪。

圖3顯示了用於保護下游電路的TVS二極體的簡單配置。在正常工作條件下,TVS具有高阻抗,輸入電壓會直接傳輸至輸出。當輸入端出現過壓時,TVS開始導電,並將多餘的電能分流到接地(GND),從而箝位下游負載電壓。電源軌電壓升高到典型操作值以上,但被箝位到保證下游電路可以安全運行的值。

雖然TVS元件在抑制極高電壓偏移方面很有效,但在遭受持續過壓時,也不能避免損壞,因此需要定期監測或更換。另一個擔心是TVS可能短路,導致輸入電源斷開。此外,根據涉及的電能大小,它們的尺寸可能需要很大才能滿足裕量要求,導致解決方案的尺寸相應增大。即使TVS的尺寸正確,下游電路也必須要能夠處理箝位電壓,對下游的電壓額定要求也隨之增高。

Figure 3. Protecting against voltage surges with a traditional TVS solution.
圖3.用傳統的TVS解決方案保護電壓湧浪。

線路保險絲

過流保護可以使用常見的線路保險絲實現,其熔斷額定值高於標準值,例如,比最大額定電流高20%(百分比取決於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必須更換。保險絲設計相當簡單,但維護相對複雜,特別是在難以接觸的位置,所以後期還是會耗費時間和成本。使用備用保險絲(例如可復位保險絲)可以減少維護要求,它會在高於標準電流的電流流經元件時,利用正溫度係數打開電路(電流增高之後會令溫度增高,導致電阻急劇升高)。

除維護問題外,保險絲最大的問題之一是其反應時間,根據所選保險絲的類型,反應時間可能有很大差異。我們可以使用快速熔斷保險絲,但熔斷時間(打開電路的時間)仍然可能需要幾百微秒到毫秒,所以電路設計人員必須考慮這些時間段內釋放的電能大小,保證下游電子元件不被損壞。

串聯二極體

在某些環境中,電路可能斷開,然後重新連接——例如,在電池供電環境中。在這種情況下,電源重新連接時不能保證極性是正確的。我們可以透過在電路的正極供電線上增加一個串聯二極體來實現極性保護。雖然這種簡單的增加可以有效防止反向極性,但串聯二極體的壓降會導致相應的功率損耗。在電流相對較低的電路中,這種取捨很小,但對於許多現代化的高電流電軌,則需要採用另一種解決方案。圖4是對圖3的更新,顯示利用TVS和增加的串聯二極體來防止出現反向極性連接。

Figure 4. Adding a series diode protects against reverse polarity, but the voltage drop of the diode can be a problem in high current systems.
圖4.增加串聯二極體可以防止反向極性連接,但在大電流系統中,二極體的壓降可能是一大問題。

使用電感和電容的濾波器

目前所討論的被動解決方案都是透過限制幅度,但通常只能捕捉更大的幅度,會放過更小的一些尖峰。這些較小的瞬變仍然會對下游電路造成損壞,因此需要使用額外的被動濾波器來清潔線路。這可以透過使用離散電感和電容來實現,透過調整其尺寸,讓它們衰減超出頻率範圍的電壓。在設計之前,需要對濾波器設計進行測試和測量,確定它們的尺寸和頻率,然後才能正確確定濾波器的尺寸。這種方法的缺點,在於需要考慮物料成本和面積要求(元件的板面積和成本要達到多少才能達到濾波水準),以及是否需要過度設計(確定元件的公差,以能夠在隨時間和溫度變化時提供補償)。

使用湧浪抑制器提供主動保護

要克服所述的被動保護解決方案面臨的挑戰和存在的缺點,方法之一是轉為使用湧浪抑制器IC。湧浪抑制器採用易於使用的控制器IC和串聯N通道MOSFET,因此無需使用繁雜的分流電路(TVS元件、保險絲、電感和電容)。因為只需確定少數幾個元件的尺寸和讓它們通過品質認證,所以湧浪抑制器控制器可以大幅簡化系統設計。

湧浪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MOSFET通路元件的閘極完全開啟,提供一條從輸入到輸出的低阻抗路徑。在發生過壓或湧浪時(閾值由輸出端的回饋網路給出),IC調節N通道MOSFET的閘極,將MOSFET的輸出電壓箝位到電阻分壓器設定的位準。

圖5顯示了湧浪抑制器配置的簡化示意圖,以及標準12 V電源軌上出現100 V輸入湧浪時的結果。在湧浪發生期間,湧浪抑制器電路的輸出被箝位到27 V。一些湧浪抑制器也使用串聯感應電阻(圖5中的斷路器)來監測過流情況,並調整N通道MOSFET的閘極,以限制輸出負載端的電流。

Figure 5. A high level diagram of a surge stopper implementation.
圖5.湧浪抑制器配置的詳細示意圖。

根據對過壓事件的回應,可以將湧浪抑制器分為四大類:

  • 線性湧浪抑制器
  • 閘極箝位
  • 切換湧浪抑制器
  • 輸出斷開保護控制器

湧浪抑制器應基於應用進行選擇,所以,我們來比較一下它們的操作和優點。

湧浪抑制器類型:線性

線性湧浪抑制器驅動串聯MOSFET的方式和線性穩壓器比較類似,是將輸出電壓限制在預先設置的安全值,並耗散MOSFET中的多餘能量。為了保護MOSFET,該元件透過採用電容故障計時器來限制在高耗散區花費的時間。

Figure 6. The LT4363, a linear surge stopper.
圖6. LT4363線性湧浪抑制器。

湧浪抑制器類型:閘極箝位

閘極箝位湧浪抑制器利用內部或外部箝位(例如,31.5 V或50 V內部箝位,或可調的外部箝位)將閘極接腳的電壓限制到這個電壓值,然後,由MOSFET的閾值電壓決定輸出電壓限值。例如,在使用內部31.5 V閘極箝位,且MOSFET閾值電壓為5 V時,輸出電壓限制為26.5 V。或者,外部閘極箝位允許更廣泛的電壓選擇範圍。閘極箝位湧浪抑制器的示例如圖7所示。

Figure 7. The LTC4380, a gate clamp surge stopper.
圖7. LTC4380閘極箝位湧浪抑制器。

湧浪抑制器類型:切換

對於更高功率的應用,切換湧浪抑制器是一個很好的選擇。與線性和閘極箝位湧浪抑制器一樣,切換湧浪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)。切換湧浪抑制器和線性或閘極箝位湧浪抑制器之間的主要區別出現在檢測到湧浪事件時。在湧浪事件中,切換湧浪抑制器是透過切換外部MOSFET(比較類似於切換DC-DC轉換器),將輸出調節到箝位電壓。

Figure 8. The LTC7860, a switching surge stopper.
圖8. LTC7860切換湧浪抑制器。

保護控制器:輸出斷開

保護控制器不是真正的湧浪抑制器,但它確實能停止湧浪。和湧浪抑制器一樣,保護控制器監測過壓和過流條件,但它不會箝位或調節輸出,而是透過立即斷開輸出來保護下游電子元件。這種簡單保護電路的佈局精巧,非常適合由電池供電的可攜式應用。 LTC4368 保護控制器的簡化示意圖,以及它對過壓事件的回應如圖9所示。保護控制器有許多版本。

 

Figure 9. The LTC4368, a protection controller.
圖9.LTC4368保護控制器。

 

保護控制器會監測輸入電壓,確保電壓保持在OV/UV接腳的電阻分壓器所配置的電壓範圍內,當輸入電壓超過這個範圍時,利用背對背MOSFET斷開輸出,如圖9所示。背對背MOSFET也可用於防止反向輸入。輸出端的感應電阻透過持續監測正向電流來實現過流保護,但不需要基於計時器的穿越操作。

湧浪抑制器特性

為了給您的應用選擇最合適的湧浪抑制器,您需要知道有哪些可用特性,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些元件。

斷開與穿越

一些應用要求在檢測到湧浪事件時斷開輸出和輸入的連接。在這種情況下,需要斷開過壓連接。如果您需要輸出在湧浪事件發生時保持正常運行,從而大幅減少下游電子設備的停機時間,則需要湧浪抑制器在發生湧浪時進行穿越。在這種情況下,使用線性或切換湧浪抑制器可以實現這一功能(前提是,對於拓撲和所選的FET,功率位準是合理的)。

故障計時器

實施穿越時,需要對MOSFET提供保護,以防它受到持續湧浪影響。為了確保留在FET的安全工作區(SOA)內,可以使用計時器。計時器本質上是一個接地電容。發生過壓時,內部電流源開始為這個外部電容充電。電容達到一定的閾值電壓時,數位故障接腳拉低,表明受時間延長的過壓影響,調整管將很快關閉。如果計時器接腳電壓繼續上升到二級閾值,閘極接腳將拉低,以關閉MOSFET。

計時器電壓的變化率隨透過MOSFET的電壓而變化,也就是說,電壓越大,時間越短,電壓越小,時間越長。這個有用特性使元件能夠平穩度過短時過壓事件,允許下游元元件保持運行,同時保護MOSFET不因持續時間更長的過壓事件出現損壞。有些元件具有重試功能,使元件能在冷卻之後再次打開輸出。

過流保護

許多湧浪抑制器都能夠監測電流和保護元件不受過流事件影響。這是透過監測串聯感應電阻上的壓降並作出適當回應來實現的。也可以透過監測和控制湧浪電流來保護MOSFET。其響應可能與過壓情況類似,這是因為如果電路能夠接受這種功率位準,那麼它要嘛透過閂鎖斷開,要嘛透過穿越事件來斷開。

反向輸入保護

湧浪抑制器具有廣泛的操作能力(能夠承受某些元件上高達60 V的地下電壓),所以能夠提供反向輸入保護。圖10顯示了提供反向電流保護的背對背MOSFET配置。在正常運行期間,Q2和Q1由閘極接腳開啟,Q3不產生任何影響。但是,出現反向電壓連接時,Q3開啟,將Q2的閘極下拉至負輸入並隔離Q1,以保護輸出。

也可以透過可靠的元件接腳保護來實現反向輸出電壓保護,根據所選的元件,可以承受高達20 V的地下電壓。

 

Figure 10. LT4363 reverse input protection circuit.
圖10.LT4363反向輸入保護電路。

 

對於需要寬廣輸入電壓範圍的應用,可以使用浮動拓撲湧浪抑制器。發生湧浪事件時,湧浪抑制器IC會監控整個湧浪電壓,由內部電晶體技術限制IC的電壓範圍。使用浮動湧浪抑制器(例如 LTC4366)時,IC浮動剛好低於輸出電壓,為其提供更廣泛的工作電壓範圍。返回線中包含一個電阻(VSS),允許IC隨電源電壓浮動。如此,由外部元件和MOSFET的電壓功能設定輸入電壓限值。圖11顯示的應用電路可以在保護後端負載時,使用極高的直流電源正常運行。

 

Figure 11. LTC4366 high voltage floating topology.
圖11.LTC4366高壓浮動拓撲。

 

為我的應用選擇正確的元件

由於湧浪抑制器本身採用可靠設計,所以能從很多方面簡化保護電路的設計。資料手冊已顯示許多可能的應用,在確定元件尺寸時,能夠提供很大幫助。困難的部分可能是選擇合適的元件。您可以遵循以下幾個步驟來縮小範圍:

  • 瀏覽ADI的保護元件系列參數表
  • 選擇輸入電壓範圍。
  • 選擇通道數量。
  • 篩選功能,縮小可行選項的範圍。

和所有產品選型一樣,在查找正確的元件前,您需要瞭解您的系統需求,這點非常重要。一些重要的考慮因素包括:預期的電源電壓和下游電子元件的電壓容限(在決定箝位電壓時非常重要),以及對設計而言非常重要的一些特性。

以下是一些經過篩選的參數表示例,供大家參考。大家可以瀏覽網站,在網站上進一步更改這些參數表,可以增加一些其他參數。

  • 高壓湧浪抑制器元件請參閱 這裡
  • 具有過壓斷開功能的保護控制器請參閱 這裡

結論

無論採用何種類型的湧浪抑制器,基於IC的主動湧浪抑制器設計都無需使用複雜的TVS二極體,或使用大尺寸電感和電容來進行濾波。所以,解決方案的整體面積更小,體積也更小巧。相較於TVS,其輸出電壓箝位精度可能高出1%至2%。如此可以防止過度設計,且能夠選擇公差更嚴格的下游元件。

ADI提供的系統保護元件系列讓設計人員能夠採用可靠、彈性且小巧的解決方案為下游元件提供保護,尤其是對於工業、汽車、航空航太和通訊設計中可能面臨嚴苛的過壓和過電流事件的元件。

參考資料

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