1.前言

任何電子系統(tǒng)都經(jīng)常面臨惡劣的環(huán)境和威脅，例如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT) 和雷擊浪涌。電源設計人員必須優(yōu)先考慮電路保護以防止系統(tǒng)故障，尤其是對于具有 24V 電源軌的工業(yè)應用。 

電路保護方案能夠保護電源和整個系統(tǒng)免受過流、短路、輸入浪涌電流、過壓、欠壓、輸入反極性保護（通常稱為接線錯誤）和反向電流阻斷等事件的影響。

在本博客中，我將概述幾種穩(wěn)健的工業(yè)電源路徑保護方法，包括分立實施、熱插拔加 ORing 控制器方法和集成實施。

2.離散實現(xiàn)

圖 1：分立保護方案

分立實施方案是最傳統(tǒng)的電源路徑保護方式，在電源路徑中使用保護方案，示例如圖 1 所示。

分立實施使用串聯(lián)的功率二極管來保護系統(tǒng)免受反極性（接線錯誤）和反向電流的影響。如果電路消耗 2A 電流，它會在二極管上消耗約 1W 的功率，這會增加電路板溫度。諧振電路 (LC) 濾波器和多個 TVS 二極管控制浪涌測試期間的輸入線路瞬變（國際電工委員會 (IEC) 61000-4-5）。

該實施使用 PFET（高側開關）以及雙極結型晶體管 BJT、運算放大器、齊納二極管、電阻器和電容器來滿足所有保護要求。該系統(tǒng)解決方案體積龐大，并且具有更大的物料清單 (BOM) 計數(shù)。此外，此實施未解決熱關斷保護和限流精度隨溫度變化的問題。

通過使用傳統(tǒng)的保險絲，分立的實現(xiàn)可以防止短路事件。保險絲在短路期間需要幾毫秒到幾秒的時間才能斷開，這可能會損壞負載。

3.熱插拔加 ORing 控制器方法

圖 2：控制器 + MOSFET 保護方案

如圖 2 所示，另一種常見的電源保護方法是通過熱插拔控制器和 ORing 控制器。該方案使用外部 FET 使設計更加高效和可靠。不幸的是，這種實現(xiàn)仍然存在挑戰(zhàn)，例如控制外部 FET、外部感測電阻和實現(xiàn)用于輸入反極性保護的附加電路。由于外部 FET 架構，此實施難以管理熱和安全工作區(qū) (SOA) 保護。盡管此解決方案比分立實施更好，但它并不適合空間受限的系統(tǒng)，例如輸入/輸出 (I/O) 模塊。

4.集成實施 (eFuse)

圖 3：綜合保護方案

另一方面，想象一下我們的整個分立實現(xiàn)消失在單個集成設備中，除了一些組件，如瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管、電阻器和電容器，如圖 3 所示。那真的很酷，對吧？電子保險絲通常將上述所有保護功能高效地集成到單個設備中，并且設計工作量最少。除了電源路徑保護之外，EFuse 還包含電壓、電流監(jiān)控和用于系統(tǒng)診斷的故障指示等功能。

FET 的 SOA 保護和強大的熱保護可確保對 eFuse 以及惡劣環(huán)境中的負載提供保護。它也適用于空間受限的應用，因為集成有助于將系統(tǒng)解決方案減少一半以上。

其中一種解決方案是TPS2660，這是業(yè)界首款 60V 背對背 FET 集成電子保險絲。該器件絕對值得考慮用于我們的新設計，因為它支持浪涌電流、過流、短路、輸入反極性保護（接線錯誤）、過壓和欠壓情況的保護。它還為系統(tǒng)診斷提供電流監(jiān)測和故障指示。

TPS2660x設備緊湊，功能豐富的高壓熔斷器，具有全套保護功能。寬供電輸入范圍4.2至60 V允許控制許多流行的直流母線電壓。該設備可以承受和保護負載的正負極電源電壓高達±60v。集成的背靠背fet提供了反向電流阻塞特性，使該設備適合于在停電和停電條件下具有輸出電壓保持要求的系統(tǒng)。負載、源和設備保護具有許多可調(diào)特性，包括過流、輸出轉(zhuǎn)換速率和過壓、欠壓閾值。內(nèi)部的魯棒保護控制塊以及TPS2660x的高電壓額定值有助于簡化系統(tǒng)的防雷設計。

關機引腳提供外部控制，使能和禁用內(nèi)部fet，以及將設備置于低電流關機模式。對于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和下游負載控制，設備提供故障和精確的電流監(jiān)測輸出。MODE引腳允許靈活配置設備之間的三個限流故障響應(斷路器，鎖存，自動重試模式)。

設備可采用5mm × 4.4 mm 16針HTSSOP封裝，以及5mm × 4-mm 24針VQFN封裝，溫度范圍在-40°C至+125°C。

集成的 60V 背對背 FET 架構讓我們可以設計穩(wěn)健的電路并保護負載免受浪涌 (IEC 61000-4-5)、EFT (IEC 61000-4-4) 以及電壓驟降和中斷等行業(yè)標準測試的影響根據(jù) IEC 61131-2 進行測試。

強大而高效的電源保護方案對于電子系統(tǒng)設計至關重要。借助集成保護器件，設計人員可以更簡單、更高效地創(chuàng)建系統(tǒng)并更快地進入市場。

如果我們的設計對 24V 電源軌使用電源路徑保護，請保持領先并立即開始設計25W PLC 控制器單元的輸入保護和備用電源參考設計。