具理想二极管的浪涌抑制器可保护输入和输出

具理想二极管的浪涌抑制器可保护输入和输出

凌力尔特公司

Zhizhong Hou

汽车和工业应用中的电源系统必须处理短时间的高电压浪涌、保持负载上的电压调节、同时避免敏感电路遭受危险瞬变的损坏。常用的保护方案需要使用一个串联的铁芯电感器和高值电解旁路电容器，并辅之以一个高功率瞬态电压抑制器 (TVS) 和熔丝。这种笨拙的方法需要占用大量的电路板面积资源 — 庞大的电感器和电容器常常是系统中最高的组件。即使采用了此类保护方案也不能提供针对反向输入电压或电源欠压 (这些都是汽车环境中有可能遭遇的情形) 的防护作用。出于避免遭受这些事件的损坏及保持输出电压的考虑，设计人员增设了一个隔离二极管，但这个二极管中的额外电压降会导致功率损失的增加。



LTC4364 是一款用于负载保护和输出保持的完整控制解决方案，其占板面积小巧，并免除了庞大笨重的组件和不希望有的电压降。图 1 示出了 LTC4364 的功能方框图。该器件可驱动两个背对背 N 沟道传输晶体管：其一 (图 1 中的 M1) 负责提供电压浪涌保护并保持向输出提供一个稳定的电压，而另一个 (图 1 中的 M2) 则充当用于提供反向输入保护和输出保持的理想二极管。


另外，LTC4364 还可提供针对过载和短路的保护、承受输出电压反向、在输入欠压情况下保持 MOSFET 关断、以及在输入过压情况下禁止接通或自动重试。该器件的停机模式可将电源电流减小到低至 10μA。

图 1：LTC4364 的简化方框图

高级浪涌抑制器可承受较高的电压并确保安全操作


图 2 示出了 LTC4364 的一种典型应用。在正常工作条件下，LTC4364 将浪涌抑制器 N 沟道 MOSFET (M1) 驱动至完全导通，并把理想二极管 N 沟道 MOSFET (M2) 的 VDS 调节至 30mV，从而最大限度地减小了从输入电源至负载电路的电压降。当 VOUT 上升到 (VIN – 0.7V) 时，ENOUT 引脚电平走高以启动负载电路。

图 2：具反向电流保护功能的浪涌抑制器可在 VIN 上承受 200V/-24V 瞬态电压

在输入电压浪涌期间，LTC4364 调节 HGATE 引脚电压，并通过 MOSFET M1 和一个阻性分压器对输出电压进行箝位，从而把 FB 引脚电压保持在 1.25V。负载电路继续运作，且电源电压仅有适度的增加 (如图 3 所示)。

图 3：LTC4364 将输出调节在 27V，而负载电路面对一个 92V 输入尖峰可继续运作

在电流过载的情况下，LTC4364 通过 M1 限制输出电流以把 SENSE 和 OUT 引脚两端的电压保持在 50mV (当 OUT > 2.5V 时)。对于 OUT 低于 1.5V 时的严重输出短路，电流限制检测电压将折返至 25mV 以为 MOSFET 提供额外的保护 (图 4)。

图 4：电流限值的 2:1 折返可减小严重输出短路时的 MOSFET 应力

当出现输出限制时 (过压 [如图 5 所示] 或过流)，定时器电容器电压斜坡上升。假如这种状况持续的时间足够长以至于 TMR 引脚电压达到 1.25V，则 FAULT 引脚电平走低，以向下游电路发出“即将发生功率损失”的早期报警。在 1.35V 电压下定时器将关断 MOSFET，并在等待一个冷却间隔之后再尝试重新起动。

图 5：LTC4364-2 在过压故障之后的自动重试定时器序列提供了一个非常长的冷却周期 (0.1% 占空比)

LTC4364 监视 MOSFET 两端的电压，并针对不断增加的 VCC – VOUT 成比例地缩短关断定时器间隔。这样，高应力输出短路过程的持续时间间隔要比短暂的轻微过载更短，因而有助于确保 MOSFET 在其安全工作区之内运作。


在过压或过流情况下，LTC4364 具有一个非常低的再起动占空比 (约为 0.1%)，从而可确保 MOSFET 在因故障而被关断之后先冷却，然后再重新起动。图 5 示出了 LTC4364-2 在一个过压故障之后的自动重试定时器序列。


LTC4364 的一个重要特性是：可在输入电源和 VCC 引脚之间布设一个电流限制器件，例如一个电阻器 (图 2 中的 R4)。现在，VCC 引脚上的电源瞬变可利用一个电容器 (图 2 中的 C1) 进行滤波或由一个齐纳二极管 (图 2 中的 D1) 进行箝位。如果选择了一个正确的 MOSFET M1，那么该方案将能承受远远高于 100V 的电源瞬变。图 2 中的电路可耐受高达 200V 的电源瞬变。



输入电压监视可避免发生不想要的接通


LTC4364 采用 UV 引脚来检测输入欠压状况 (例如：低电池电量)，并在 UV 引脚电压低于 1.25V 时使 MOSFET 保持关断。另外，LTC4364 还监视输入过压状况并把 MOSFET 保持在关断状态，以在发生某种输出故障情况之后执行启动或再起动操作。


在上电时，如果 OV 引脚电压在 100μs 的上电复位延迟结束之前 (或 UV 引脚电压升至 1.25V 以上之前) 高于 1.25V，则 MOSFET 将保持关断，直到 OV 引脚电压降至 1.25V 以下为止。该特性可避免当电路板插入一个过压电源时执行启动操作，借助的方法是采用两个分离的阻性分压器以及用于 OV 和 UV 引脚的合适滤波电容器 (图 6)。

图 6：可对输入 UV 和 OV 监视器进行配置以阻止在过压情况下启动

启动之后，在正常情况下后续的输入过压条件并不会关断 MOSFET，而是将在某种输出故障之后阻止执行自动重试操作。在某个故障之后，如果 OV 引脚电压在冷却定时器周期结束时高于 1.25V，则 MOSFET 将保持关断状态，直到输入过压情况被清除为止。



理想二极管可利用微小的电压降提供针对反向输入和欠压的保护


为提供反向输入保护，在电子系统的电源通路中常常安置一个肖特基隔离二极管。这个二极管不仅消耗功率，而且还降低了可提供给负载电路的工作电压，而在采用低输入电压时这一点特别明显 (比如：汽车冷车发动情况)。通过采用 DGATE 引脚来驱动第二个反向连接的 MOSFET (图 2 中的 M2)，LTC4364 去除了传统的肖特基隔离二极管及其所引起的电压和功率损失。


在正常操作条件下，LTC4364 将正向压降 (M2 的 VDS) 调节至仅为 30mV。倘若负载电流足够大而产生了超过 30mV 的正向压降，则 M2 被驱动至完全导通，而且其 VDS 等于 RDS(ON)•ILOAD。


当发生输入短路或电源故障时，反向电流将暂时流过 M2。LTC4364 可检测到反向电压降并立即关断 M2，从而最大限度地减少输出存储电容器的放电并保持输出电压。图 7a 示出了一个 12V 输入电源短路至地的结果。对于这种情况，LTC4364 做出的响应是把 DGATE 引脚拉至低电平，从而切断了反向电流通路，输出电压于是得以保持。


在电池接反的场合中，LTC4364 将 DGATE 引脚短接至 SOURCE 引脚 (其跟随输入)，且无需使用外部组件，从而把 M2 保持在关断状态并使负载电路与输入断接，如图 7b 所示。VCC、SHDN、UV、OV、HGATE、SOURCE 和 DGATE 引脚皆能承受高于 GND 电位达 100V 及低于 GND 电位达 40V 的瞬态电压。


(a) (b)

图 7：LTC4364 输入保护：(a) 当发生输入短路或欠压时，DGATE 引脚被拉低，因而关断理想二极管 MOSFET 并保持输出电压; (b) 在反向输入情况下，DGATE 引脚被拉至 SOURCE 引脚，从而把理想二极管 MOSFET 保持在关断状态并切断反馈



内置输出端口保护功能电路



当输出位于一个连接器的时候 (如图 8 所示)，它有可能遭受过压、短路或反向电压。LTC4364 凭借多项特性为负载电路和输入电源提供了针对这些情况的保护作用：


假如输出端口插入了一个高于输入的电源，则理想二极管 MOSFET M2 关断以使反馈通路断开，如图 9a 所示。


如果输出端口短路至地，则 HGATE 引脚首先把正向电流调节至电流限值，然后在故障超时的情况下关断 MOSFET M1。


如果一个反向电源被施加至输出端口，则 LTC4364 将在 OUT 引脚电压降至 GND 电位以下时关断传输 MOSFET M1，从而使正向导通电流通路断开并避免在输入端上发生电池电量耗尽。


图 9b 示出了当一个 –12V 电源施加至输出端时的结果。LTC4364 将立即把 HGATE 引脚短接至 SOURCE 引脚 (其跟随输出)，从而关断 MOSFET M1，于是输入电源与故障输出断接。

图 8：LTC4364 提供了针对过压、短路或反向电压的内置输出端口保护功能

(a) (b)

图 9：LTC4364 输出端口保护：(a) 当强制输出高于输入时，DGATE 引脚被拉低以切断反馈; (b) 当强制输出低于 GND 电位时，HGATE 引脚被拉至 SOURCE 引脚，从而切断正向导通并节省输入端上的电池功率。



LTC4364 的 OUT 和 SENSE 引脚能承受高于 GND 电位达 100V 及低于 GND 电位达 20V 的瞬态电压。对于那些有可能强制输出端口低于地电位的应用，应在输出端上采用具有正确额定电压的陶瓷旁路电容器，以稳定电压和电流限制环路并最大限度地抑制输入瞬变的容性馈通 (见图 8)。应使用一个低漏电二极管 (图 8 中的 D2) 以保护 FB 引脚。



结论


LTC4364 是一款紧凑和完整的解决方案以限制和调节电压及电流，可保护敏感的负载电路免遭危险电源瞬变 (包括那些超过 100V 的电源瞬变) 的损坏。在汽车和工业系统中，它是传统上庞大笨重保护电路的一种易于实现的高性能替代方案。


LTC4364 的集成型理想二极管驱动器可在输入短路、电源欠压或反向输入的情况下保持输出电压，同时削减因采用隔离二极管所造成的电压损失。当输出位于连接器侧时，其内置的输出端口保护功能电路是很有用处的。由于拥有输入 UV 和 OV 监视功能及一种低电流停机模式，因而使该器件的特性集更加完善。