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为电过应力事件提供高效浪涌保护

Steve Munns?? 凌力尔特公司市场经理?? 2016年03月02日 ?? 收藏2
过大的电压或电流被加至集成电路所产生的电过应力 (EOS) 是诱发 IC 故障的主要起因之一,而且还会导致所谓 “带伤运行” 产品的出现,此类产品虽能继续工作,但构成了一种可靠性危险,并有可能引起过早的系统故障。

EOS 事件会引起局部发热效应并造成芯片级敷金属或结点受损,但一开始或许并不存在明显的缺陷。随着时间的推移以及温度和电压偏置的加速作用,此类损坏将改变性能特征,并有可能造成电迁移、热点和热失控,从而导致全面的 IC 故障。

长久以来人们就认识到了这类风险,因此负责保证设备安全性、可靠性和性能的机构及标准化组织已经制定了多种规范,以针对各种潜在的压力过大问题保护电子电路。

这类风险之一与上游电源干扰有关,本文中我们集中探讨美国国防部接口标准 MIL-STD-1275,该标准与 28V DC 军用车辆电源有关,还有其他一些类似的国家级规范,例如英国的 DEFSTAN 61-5 Part 6。飞机有自己的标准,例如,DO-160 面向民用飞机,MIL-STD-704 面向军用飞机。虽然特定的脉冲特性发生了变化,但它们在概念上都是非常相似的,因此适用于同样的原理。

尽管芯片内置的 ESD 保护功能可以在某种程度上针对电源干扰引起的 EOS 事件提供保护,但是这类事件也许根本就不是异常情况,而是系统典型工作范围的一部分,这也许表示,会有反反复复超出 IC 最大绝对额定值的事件发生。

针对电压浪涌、尖峰和纹波提供保护

电压尖峰的特点是持续数十微妙及高达几百伏的电压,由雷击或负载阶跃的感应耦合产生。目前应用的解决方案是有效的,这种解决方案通常采用瞬态电压抑制器,辅以所需的 EMI 滤波电路和电源电缆电感。

电压浪涌一般高达 100V,持续数十或数百毫秒,由抛载引起。负载电路或电池断接会导致交流发电机两端的电压在短时间内快速上升,并因此导致使用同一电源的其他负载遇到同一电压浪涌。正如我们稍后会看到的那样,这可能是一个富挑战性及难以解决的问题。

叠加在输入电源之稳态电压轨上的电压纹波会造成进一步的设计挑战。适度振幅的纹波可由输入电容器滤波至保护电路,但是在较大纹波和较大电流情况下,通过保护电路将纹波传送到下游稳压级的做法会更实用且效率更高。

过压保护电路

图 1:无源过压保护电路
图 1:无源过压保护电路

传统的无源过压保护电路 (图 1) 需要相对较大和笨重的组件,这样的组件引入插入损耗,可能因功率需求增加而成为一个问题。将很大的能量分流到地这种做法不能确保向下游供电,且可能由于重复操作而导致无源组件损坏。

一种较好的解决方案是采用线性浪涌抑制器 IC,这可提供更佳性能、过流保护和更多功能,同时减少了所需电路板面积。一个例子是 LT4363 高压浪涌抑制器 (图 2)。我们之所以称这款 IC 是一种线性浪涌抑制器,是因为其操作与线性稳压器类似。

图 2:具电流限制的 LT4363 浪涌抑制器
图 2:具电流限制的 LT4363 浪涌抑制器

在正常操作情况下,一个外部 N 沟道 MOSFET 被驱动至全通,并充当一个具非常小电压降的传输器件。如果输出电压上升至高于由 FB 引脚上的电阻分压器设定的稳压值,MOSFET 就调节 OUT 引脚上的电压,从而使负载电路能够在瞬态事件发生期间继续运行。

SNS 和 OUT 引脚之间的可选电阻器用来控制过流事件,电流限制环路控制 MOSFET 上的栅极电压,以将电阻器两端的检测电压限制到 50mV。

无论过压还是过流事件都会启动一个电流源给连至 TMR 引脚的电容器充电。充电电流与输入至输出电压差有关,以使定时器周期随着日益严重的故障而缩短,从而确保 MOSFET 保持在其安全工作区之内。

开关浪涌抑制器

线性浪涌抑制器为需要高达约 4A 电流的系统提供了一种非常出色的解决方案,当超出这个电流范围时,该电路有效穿越长时间浪涌的能力会受到 MOSFET 安全工作区的限制。对于较大的电流,通过采用专用的开关稳压器技术如今可提供一种更有效的解决方案,在该技术中,限制主要变成了系统热质量和相关的最大结温考虑因素之一。

图 3:LTC7860 高效率开关浪涌抑制器
图 3:LTC7860 高效率开关浪涌抑制器

LTC7860 专为用作高效率开关浪涌抑制器和 / 或输入浪涌电流限制器而设计(图3)。在正常操作期间,LTC7860 处于压差或 SWITCH-ON 模式,并持续驱动外部 MOSFET,从而将输入电压传递至输出。

LTC7860 在启动或响应输入过压或输出短路事件时切换进入 PROTECTIVE PWM (保护性PWM) 模式,输出电压调节至安全值,从而使负载能够在发生输入过压事件时继续正常工作。外部比较器限制电流检测电阻器两端的电压,调节最大输出电流,以针对过流故障提供保护。

可调定时器限制 LTC7860 可用于过压或过流调节的时间。当定时器到期时,外部 MOSFET 断开,直到 LTC7860 经过冷却期后重启为止。通过在功率损耗很高时严格限制处于 PROTECTIVE PWM 模式的时间,可以针对正常工作情况优化组件和热量设计,使组件和设计方案能够在发生高压输入浪涌和 / 或过流故障时安全地工作。还可以增加一个 PMOS 以提供电池反向保护。

通过给 LTC7860 的电源偏置增加一个简单的并联稳压器,就可以将VIN 至 SGND 最大范围从60V扩大到超过 200V。

效率比较

就上述 LT4363 这类线性浪涌抑制器和 LTC7860 开关浪涌抑制器而言,一旦开始调节,功率损耗就会显著上升。在线性浪涌抑制器中,功率损耗是起调节作用的 MOSFET 之功耗。而在高效率浪涌抑制器或开关浪涌抑制器中,内部功率损耗由转换效率决定。

图4

由于功率损耗降低,因此与同级别的线性解决方案相比,开关浪涌抑制器将允许更高的输出电流和功率级别。在开关浪涌抑制器中,内部浪涌功率损耗会比正常功率损耗增加 10 倍之多。如果停留在 PWM 模式调节的时间受限,则运行功率会超越稳态操作中所能实现的水平。

浪涌抑制器保护的结果是,下游组件可具有较低的额定电压,但在高 VIN 降压型稳压器可用时,那为什么不使用其中一款而免除保护电路呢? 虽然这或许很吸引人,但是此类降压型稳压器电路将需要针对最坏情况而确定的组件,并将必需采取显着增多的散热措施。另外,这也许还会把上游电源置于容易遭受输出短路故障损坏的境地。

MIL-STD-1275 要求和性能

在军用车辆应用中,LTC7860 保护采用 28V 车辆电源总线工作的设备,并用评估电路板进行了测试。

MIL-STD-1275 版本 E 定义了各种电源变化情况,从稳态工作到启动干扰、尖峰、浪涌和纹波,并针对每一种情况规定了要求,表 1 概述了这些情况。

表 1:MIL-STD-1275E 要求和 LTC7860 性能
表 1:MIL-STD-1275E 要求和 LTC7860 性能

凌力尔特之前开发的演示电路 DC2150A-C 也提供线性浪涌抑制器解决方案,该解决方案满足之前的 MIL-STD-1275 修订版 D 规范的要求。

结论

专用浪涌抑制器 IC 为无源保护电路提供了卓越的性能,有助于满足未来系统减小尺寸、重量和功率的要求。

线性模式浪涌抑制器提供了具备低插入损耗的出色解决方案,适合输出电流高达 4A 左右的系统。开关浪涌抑制器将输出电流能力扩展到 4A 以上,同时解决方案尺寸很小,效率很高。

《电子技术设计》2016年3月刊版权所有,谢绝转载。


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浪涌保护? 过电流? 过电压?

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