浪涌抑制器保护电子产品免受高压瞬态影响

在汽车和工业应用中，常常遇到持续时间从几微秒到几百毫秒的高压电源尖峰。这些系统中的电子产品不仅必须耐受瞬态电压尖峰而不被损坏，而且在很多情况下还必须在出现电压尖峰时自始至终可靠工作。在电源通过长导线分配的系统中，负载步进 (即负载电流突然变化) 会引起严重的瞬态。尤其引人注意的是负的负载步进，这时负载电流从较大的值降低为较小的值。负的 dl/dt 引起导线寄生电感，产生正向高压尖峰，这可能引起由同一条导线供电的周围器件的损坏。快速负载切换 (如继电器、开关触点、固态负载切换等) 会产生尤其高的 dl/dt 值。电源和负载之间的连接受到损害可能导致电流突然中断，从而产生大的 dl/dt 值。最能说明问题的一个例子是汽车负载突降，在这种情况下，震动和终端受损造成与电池的连接突然断开。
负载突降引起电压浪涌，浪涌幅度不断增大，持续几百毫秒。根据汽车工程师协会（SAE）的数据，该瞬态幅度可能高达 125V。典型的负载突降曲线如图 1 所示，上升时间为 5 毫秒，并以 200ms 的时间常数按指数规律衰减。在工业系统中，类似情况可能于螺线管和电动机的再生引起。


人们对抑制浪涌、尖峰和瞬态的方法有非常强劲的需求，以保护关键电子子系统在出现这些情况时不被损坏，而且自始至终持续工作。持续时间短的情况 (如尖峰和瞬态) 很容易用基于电感器的滤波器和大的旁路电容器抑制。持续时间长的浪涌却不这么容易抑制，而且这类浪涌要依靠大功率并联箝位电路和有损耗的串联限流电阻来抑制。


目前已经开发出了一种隔离任何类型浪涌、尖峰和瞬态的新方法。LT4356浪涌抑制器用一个外部 N 沟道 MOSFET 实现了串联-通路稳压器。在通常情况下，LT4356 驱动 MOSFET，使其完全接通，这样输入功率直接通过来到负载电路，只有一点损耗。如果输入电压上升到高于某个值，那么 LT4356 开始将输出调节到一个安全值。MOSFET 作为跟随器限制峰值馈通，调节响应时间由 MOSFET 栅极上的补偿电容器控制。
LT4356 无需笨重的滤波组件，同时隔离低压电路使其免受损坏。最重要的是，LT4356 调节输出时无需在其下游使用高压额定值组件。相反，可以使用较低成本的低压组件，LT4356 可以隔离高压使其不能到达这些低压组件。
图 2 显示了 LT4356 对负载突降的响应。输入突然上升到 80V，但是输出被调节到一个安全值。浪涌消失后，LT4356 返回空闲状态，将 MOSFET 过驱动至低损耗工作状态。
电路运作
图 3 所示为 LT4356 的方框图。除了电压调节环路，其它重要特点包括过流保护和输入反向保护以及将电源电流降至约 5uA 的微功率停机状态。还有一个备用增益级，用作精确比较器或实现辅助功能的放大器。GATE 引脚旁路电容器和 LT4356 受控 GATE 电流带来的又一个好处是浪涌电流限制。持续存在输入过压或电流过载时，故障输出向负载电路提供早期警报，表明工作时间有限。


稳定电压由连接到 FB 引脚的两个电阻值的比例决定，通常的选择是稳定值比最大直流工作电压高 5% 至 10%，或者可以设置为稍低于下游组件的额定电压。过流限制由一个小的检测电阻和 LT4356 内部的 50mV 电流检测放大器设置。
在持续时间长的浪涌期间连续工作是以外部 MOSFET 的功耗作为代价。为了保持 MOSFET 在其能力限度内工作，无论何时只要电路处于限压或限流状态，LT4356 就启动定时器，并在出现任何损坏之前关断 MOSFET。时间间隔由Vds和Id来调整，旨在以优于固定定时器的方式更好地利用安全工作区。这两个参数都由 LT4356 监视。首次加电时，或允许 SHDN# 拉高以启动 LT4356 时，通过驱动栅极缓慢升高、以逐步升高的方式接通外部 MOSFET。这种软启动实现了浪涌电流限制，以最大限度地减轻动态加载给输入电源造成的影响，并减轻任何上游保险丝的热疲劳。一旦 MOSFET 完全接通，使能引脚 EN 就升高，以启动负载电路，如微处理器或开关稳压器。
在过流或过压情况下，电流放大器（IA）或电压放大器（VA）启动工作，恰当地限制输出电流或电压。在过压情况下，负载电路继续工作，电源电压稍微升高一些，如图 2 所示。在电流过载情况下，如果有足够的输出电压可用，那么负载电路可能继续工作。无论何时，只要发生输出限制，不管原因是什么，定时器电容器电压就斜坡上升。如果输出限制情况持续时间足够长，定时器引脚（TMR）达到了第一个电压门限 1.25V，那么 FAULT# 引脚变低，向下游电路发出早期警报，表明即将有功率损耗。一旦达到 1.35V（第二个故障门限），定时器就关断 MOSFET，并等待度过冷却时间间隔后，再尝试重新启动。
LT4356 的另一个特点是备用放大器（AMP），该放大器可用作电源良好比较器、输入电压监视器或低压差线性稳压器。就 LT4356-1 版本而言，将 SHDN# 引脚拉低会关断所有功能。电源电流降至 5uA，从而允许在该器件与电池电源永久连接的应用中使用。就 LT4356-2 版本而言，辅助放大器和内部基准在停机时仍然有效，停机电流为 50uA。通过将辅助放大器配置为低压差线性稳压器，LT4356 可用在主系统关断后需要一个保持有效的电源用于重要功能的应用。
在图 4 所示电路中，反馈（FB）引脚处的外部电阻分压器被设置为在出现过压情况时将输出电压限制到 16V。如果输入上升到高于 16V，那么输出将稳定在这个值上，直到故障消除或定时器到期（按照预先确定的超时条件达到 1.35V）。备用放大器配置为监视输入电压，并通过 AOUT 引脚指示欠压状态。MOSFET 完全接通后，使能（EN）引脚启动下游负载。


LT4356 具有宽输入范围，从最低 4V 的工作电压一直到 100V 的绝对最大值。因此该器件可用在输入电压在标称值的低端可能下降、在高端可能突然上升的系统中。因为 MOSFET 通常被驱动到低阻抗状态，所以在输入电源和负载电路之间引入 LT4356 浪涌抑制器后，在低输入电压时损失的工作空间很小。
输入反向保护
在安装一个由远程电源供电的产品时，输入极性可能颠倒的问题尤其重要。如果产品未设计成可以处理反向电压，那么连接电源线时，瞬间疏忽就可能造成代价高昂的错误。电源极性颠倒会对极化电容器、箝位二极管和其它固态器件造成极大损害。LT4356 的输入可承受高达 -30V 的电压，而且它可以驱动第二个反向隔离 MOSFET，以阻止反向电压通达负载（参见图 5）。当然，这个电路的重要好处是保护负载免受损坏，但是与显而易见的串联隔离二极管解决方案相比，它在正常工作时的改进是显著的：隔离二极管的损耗，无论是功率还是电压，都完全消除了。


过流和浪涌控制
浪涌电流定义为第一次加电时涌入负载的初始电流。这是由大容量电源电容器充电引起的。我们需要控制浪涌电流，以将峰值瞬态电流限制在可接受的水平上。在有些系统中，限制浪涌电流以最大限度地减少对电源系统和邻近负载的干扰非常重要。LT4356 以软启动接通 MOSFET 来限制浪涌电流。栅极电容器 C1 和 20uA 的受控栅极电流设置 GATE 引脚的转换率。浪涌电流是转换率和输出电容（CL）的函数。
LT4356 具有 10% 准确限流电路，以免受过载和短路情况影响。在出现过流情况时，有源限流环路将纤巧外部检测电阻上的电压稳定在 50mV，同时启动定时器。如果过载情况持续，那么关断 MOSFET，让其冷却一段时间再接通。像前面提到的那样，LT4356 不仅控制电流，还监视漏源电压 Vds。定时器间隔由 Vds 调节，以便压差越高，定时器间隔越短。这样就可保持 MOSFET 中总的能量损耗在故障期间几乎恒定，并保持 MOSFET 在安全工作区内工作。限流功能不仅保护 MOSFET，还保护上游保险丝，这样不用更换保险丝，电路就能自动从过载状态恢复。
结论
工业系统中的电子产品越来越多，也越来越复杂，而电源仍然有尖峰和浪涌问题。必须保护敏感设备免受这些瞬态影响，否则设备可能在现场出故障，造成巨大损失。另外，随着汽车电子产品复杂性提高，为常规滤波、箝位和噪声抑制方法提供的空间减少了。如果不采取不同的方法来解决电子产品增多带来的问题，那么今天看到的可靠性问题注定会变得更加严重。问题不仅是客户满意度，它正在变成对行车安全的担忧。如果显示屏背光照明没有了，只是不方便的问题，但是如果锅炉压力监视器出故障，就是个大问题了。
LT4356 浪涌抑制器为电子控制系统提供了可靠的前端保护。它为减少所需电路板空间同时减少与隔离二极管和滤波器电感器有关的热量和电压损耗提供了一种方法。LT4356 更高的效率和更宽的可用电压范围允许给空间受限的产品增加更多功能。