無需隔離二極管就可保護敏感電路免受過壓和電源反向連接的影響
時間：2012-10-08 09:44
來源：凌力爾特公司
作者：Victor Fleury
如果將 24V 電源連到 12V 電路上，會出現(xiàn)什么情況? 如果電源線和地線不小心接反了，能不損壞電路嗎? 您的應用是否處于一種嚴酷的環(huán)境，其中輸入電源可能振蕩到非常高的電壓或低于地電位? 即使這些事件不太可能發(fā)生，但是只要出現(xiàn)一次，就能損壞電路板了。
可以采取哪些方法來保護敏感電路免受過高、過低甚至負電壓的影響? 為了隔離負的電源電壓，系統(tǒng)設(shè)計師傳統(tǒng)上給電源串聯(lián)一個功率二極管。不過，這個二極管占用了寶貴的電路板空間，并在負載電流很大時，浪費大量功率。
另一種常見的解決方案是給電源串聯(lián)一個高壓 P 溝道 MOSFET。P 溝道 MOSFET 比串聯(lián)二極管所浪費的功率少，但是 MOSFET 和驅(qū)動 MOSFET 所需電路使成本提高了。
這兩種解決方案的缺點是，它們都犧牲了以低電源電壓工作的機會，尤其是串聯(lián)二極管。另外，兩種解決方案都不能防止受到過高電壓的影響，這種保護需要更多電路，包括高壓窗口比較器和充電泵。
欠壓、過壓和電源反向連接保護
LTC4365 是一種獨特的解決方案，簡要和可靠地保護敏感電路免受不可預測的高或負電源電壓所影響。LTC4365 隔離高達 60V 的正電壓和低至 -40V 的負電壓。只有處于安全工作電源電壓范圍內(nèi)的電壓才能傳遞給負載。惟一需要的外部有源組件是一個雙 N 溝道 MOSFET，連接在不可預測的電源和敏感負載之間。
圖 1 顯示了一個完整的應用。電阻分壓器設(shè)定過壓 (OV) 和欠壓 (UV) 跳變點，以連接或斷開負載與 VIN 的連接。如果輸入電源電壓變化到這個電壓窗口之外，那么 LTC4365 就快速斷開負載與電源的連接。
圖 1：汽車應用中，完整的 12V 欠壓、過壓和電源反向連接保護電路
雙 N 溝道 MOSFET 在 VIN 處隔離正和負電壓。在正常工作時，LTC4365 為外部 MOSFET的柵極提供 8.4V 增強電壓。LTC4365 的有效工作范圍為 2.5V 至 34V，過壓-欠壓窗口可以處于這個范圍內(nèi)的任何地方。就大多數(shù)應用而言，在 VIN 處無需保護性箝位，這進一步簡化了電路板設(shè)計。
準確和快速的過壓和欠壓保護
LTC4365 中兩個準確 (±1.5%) 的比較器監(jiān)視 VIN 處的過壓 (OV) 和欠壓 (UV) 情況。如果輸入電源分別升高至高于 OV 或降低至低于 UV 門限，那么外部 MOSFET 的柵極就被快速關(guān)斷。外部電阻分壓器允許用戶選擇適合 VOUT 處負載的輸入電源范圍。此外，UV 和 OV 輸入的漏電流非常低 (在 100°C 時，典型值 < 1nA)，從而允許外部電阻分壓器中的高值電阻。
圖 2 顯示當 VIN 從 -30V 緩慢上升至 30V 時圖 1 電路的反應。UV 和 OV 門限分別設(shè)定為 3.5V 和 18V。當電源電壓位于 3.5V 至 18V 的窗口內(nèi)時，VOUT 跟蹤 VIN。在這個窗口之外，LTC4365 關(guān)斷 N 溝道 MOSFET，即使 VIN 為負，也斷開 VOUT 與 VIN 的連接。
圖 2：VIN從 -30V 上升到 30V 時的負載保護
新穎的電源反向連接保護方法
LTC4365 采用了一種新穎的負電源電壓保護電路。當 LTC4365 在 VIN 處檢測到負電壓時，它會快速連接 GATE 引腳和 VIN。在 GATE 引腳和 VIN 之間沒有二極管壓降。當外部 N 溝道 MOSFET 的柵極電壓為最大負電壓 (VIN) 時，從 VOUT 到 VIN 負電壓的泄漏最小。
圖 3 顯示了當 VIN 被帶電接入 -20V 電壓時，會發(fā)生什么情況。VIN、VOUT 和 GATE 在連接建立瞬間從地電位開始變化。由于 VIN 和 GATE 連接的寄生電感，VIN 電壓和 GATE 引腳在低于 -20V 的電壓上明顯地振蕩。外部 MOSFET 必須具有能承受這種過沖而不被損壞的擊穿電壓。
圖 3：VIN帶電接入 -20V
在負電壓瞬態(tài)時，GATE 引腳跟隨 VIN 的密切程度決定了 LTC4365 反向連接保護電路的速度。在圖中所用比例情況下，兩種波形幾乎無法區(qū)分。注意，無需額外的外部電路來提供反向連接保護。
AC 隔離
LTC4365 有一個恢復延遲定時器，可濾除 VIN 噪聲，并有助于防止 VOUT 顫動。在 OV 或 UV 故障發(fā)生之后 (或當 VIN 變?yōu)樨撾妷簳r)，輸入電源電壓必須至少在 36ms 之內(nèi)返回所希望的工作電壓窗口，以重新接通外部 MOSFET。若在不到 36ms 時間內(nèi)脫離并重新返回故障狀態(tài)，那么 MOSFET 保持斷開狀態(tài)。
圖 4 顯示，LTC4365 隔離 40V 至 -40V 的 AC 線電壓。在負電壓部分，GATE 引腳跟隨 VIN，但當 VIN 變?yōu)檎妷簳r，GATE 引腳仍然保持在地電位。注意，VOUT 一直不受影響。
圖 4：36ms 恢復定時器隔離 28V、60Hz AC 線電壓
在故障情況下的高壓瞬態(tài)
圖 5 顯示一個測試電路，該電路在過壓情況下產(chǎn)生瞬態(tài)。標稱輸入電源為 24V，過壓門限為 30V。圖 6 顯示 VIN 在過壓情況下的波形。這些瞬態(tài)視 VIN 和 GATE 引腳上寄生電感的不同而不同。即使在實驗中，可選電源箝位 (D1) 未使用，電路仍然能承受這些瞬態(tài)而不被損壞。
圖 5：在VIN電感很大時發(fā)生 OV 故障
圖 6：未使用 TransZorb (TVS) 時，發(fā)生 OV 故障時的瞬態(tài)
在兩個電源之間做出選擇
該器件停機時，VIN 和 VOUT 引腳可以由兩個不同的電源以不同的電壓驅(qū)動。LTC4365 自動驅(qū)動 GATE 引腳至低于兩個電源之中較低的電壓，從而防止電流從任一方向流過外部 MOSFET。圖 7 所示應用使用兩個 LTC4365，以在兩個電源之間做出選擇。應該小心地確保在任意給定時間內(nèi)兩個 LTC4365 中只有一個被啟動。
圖 7：在兩個電源之中選擇一個
在VOUT已加電時，VIN帶電反向接入
甚至在 VOUT 由單獨的電源驅(qū)動時，LTC4365 也可防止受到負 VIN 連接的影響。圖 8 顯示，當 LTC4365 處于停機模式，VOUT 加電至 20V，VIN 帶電接入 -20V 電壓時的波形。只要不超過外部 MOSFET 的擊穿電壓 (60V)，那么 VOUT 端的 20V 電源電壓就不受 VIN 端反向極性連接的影響。
圖 8：VOUT加電時VIN熱插拔 (Hot SwapTM) 至負電源的波形
結(jié)論
LTC4365 控制器保護敏感電路免受過壓、欠壓和電源反向連接的影響。只要合乎用戶可調(diào)的 UV 和 OV 跳變門限，那么電源電壓就被傳遞給輸出。在這個窗口之外的任何電壓都被隔離，窗口電壓最高為 60V，最低為 -40V。
LTC4365 采用纖巧的 8 引腳 3mm x 2mm DFN 和 TSOT-23 封裝，由于 LTC4365 采用了新穎的架構(gòu)，所以可提供堅固和小尺寸的解決方案，而且所需的外部組件最少。LTC4365 無需給電源串聯(lián)反向電壓隔離二極管，用背靠背的外部 MOSFET 就可自動執(zhí)行這一功能。LTC4365 提供 2.5V 至 34V 的寬工作電壓范圍，在停機時僅消耗 10µA 電流。
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