| 本文作者：
Steve Munns
凌力爾特公司 市場(chǎng)經(jīng)理
引言
在過(guò)大的電壓或電流被加至集成電路所產(chǎn)生的電過(guò)應(yīng)力 (EOS) 是誘發(fā) IC 故障的主要起因之一，而且還會(huì)導(dǎo)致所謂 “帶傷運(yùn)行” 產(chǎn)品的出現(xiàn)，此類(lèi)產(chǎn)品雖能繼續(xù)工作，但構(gòu)成了一種可靠性危險(xiǎn)，并有可能引起過(guò)早的系統(tǒng)故障。
EOS 事件會(huì)引起局部發(fā)熱效應(yīng)并造成芯片級(jí)敷金屬或結(jié)點(diǎn)受損，但一開(kāi)始或許并不存在明顯的缺陷。隨著時(shí)間的推移以及溫度和電壓偏置的加速作用，此類(lèi)損壞將改變性能特征，并有可能造成電遷移、熱點(diǎn)和熱失控，從而導(dǎo)致全面的 IC 故障。
長(zhǎng)久以來(lái)人們就認(rèn)識(shí)到了這類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，因此負(fù)責(zé)保證設(shè)備安全性、可靠性和性能的機(jī)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)制定了多種規(guī)范，以針對(duì)各種潛在的壓力過(guò)大問(wèn)題保護(hù)電子電路。
這類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)之一與上游電源干擾有關(guān)，本文中我們集中探討美國(guó)國(guó)防部接口標(biāo)準(zhǔn) MIL-STD-1275，該標(biāo)準(zhǔn)與 28V DC 軍用車(chē)輛電源有關(guān)，還有其他一些類(lèi)似的國(guó)家級(jí)規(guī)范，例如英國(guó)的 DEFSTAN 61-5 Part 6。飛機(jī)有自己的標(biāo)準(zhǔn)，例如，DO-160 面向民用飛機(jī)，MIL-STD-704 面向軍用飛機(jī)。雖然特定的脈沖特性發(fā)生了變化，但它們?cè)诟拍钌隙际欠浅Ｏ嗨频�，因此適用于同樣的原理。
盡管芯片內(nèi)置的 ESD 保護(hù)功能可以在某種程度上針對(duì)電源干擾引起的 EOS 事件提供保護(hù)，但是這類(lèi)事件也許根本就不是異常情況，而是系統(tǒng)典型工作的一部分，這也許表示，會(huì)有反反復(fù)復(fù)超出 IC 最大絕對(duì)額定值的事件發(fā)生。
針對(duì)電壓浪涌、尖峰和紋波提供保護(hù)
電壓尖峰的特點(diǎn)是持續(xù)數(shù)十微妙及高達(dá)幾百伏的電壓，由雷擊或負(fù)載階躍的感應(yīng)耦合產(chǎn)生。目前應(yīng)用的解決方案是有效的，這種解決方案通常采用瞬態(tài)電壓抑制器，輔以所需的 EMI 濾波電路和電源電纜電感。
電壓浪涌一般高達(dá) 100V，持續(xù)數(shù)十或數(shù)百毫秒，由拋載引起。當(dāng)負(fù)載電路或電池?cái)嘟訉?dǎo)致交流發(fā)電機(jī)兩端的電壓在短時(shí)間內(nèi)快速上升，并因此導(dǎo)致使用同一電源的其他負(fù)載遇到同一電壓浪涌。正如我們稍后會(huì)看到的那樣，這可能是一個(gè)富挑戰(zhàn)性及難以解決的問(wèn)題。
疊加在輸入電源之穩(wěn)態(tài)電壓軌上的電壓紋波會(huì)造成進(jìn)一步的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。適度振幅的紋波可由輸入電容器濾波至保護(hù)電路，但是在較大紋波和較大電流情況下，通過(guò)保護(hù)電路將紋波傳送到下游穩(wěn)壓級(jí)的做法會(huì)更實(shí)用且效率更高。
過(guò)壓保護(hù)電路
傳統(tǒng)的無(wú)源過(guò)壓保護(hù)電路 (圖 1) 需要相對(duì)較大和笨重的組件，這樣的組件引入插入損耗，可能因功率需求增加而成為一個(gè)問(wèn)題。將很大的能量分流到地這種做法不能確保向下游供電，且可能由于重復(fù)操作而導(dǎo)致無(wú)源組件損壞。
圖 1：無(wú)源過(guò)壓保護(hù)電路
一種較好的解決方案是采用線性浪涌抑制器 IC，這可提供更佳性能、過(guò)流保護(hù)和更多功能，同時(shí)減少了所需電路板面積。一個(gè)例子是 LT4363 高壓浪涌抑制器 (圖 2)。我們之所以稱(chēng)這款 IC 是一種線性浪涌抑制器，是因?yàn)槠洳僮髋c線性穩(wěn)壓器類(lèi)似。
圖 2：具電流限制的 LT4363 浪涌抑制器
在正常操作情況下，一個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 被驅(qū)動(dòng)至全通，并充當(dāng)一個(gè)具非常小電壓降的傳輸器件。如果輸出電壓上升至高于由 FB 引腳上的電阻分壓器設(shè)定的穩(wěn)壓值，MOSFET 就調(diào)節(jié) OUT 引腳上的電壓，從而使負(fù)載電路能夠在瞬態(tài)事件發(fā)生期間繼續(xù)運(yùn)行。
SNS 和 OUT 引腳之間的可選電阻器用來(lái)控制過(guò)流事件，電流限制環(huán)路控制 MOSFET 上的柵極電壓，以將電阻器兩端的檢測(cè)電壓限制到 50mV。
無(wú)論過(guò)壓還是過(guò)流事件都會(huì)啟動(dòng)一個(gè)電流源給連至 TMR 引腳的電容器充電。充電電流與輸入至輸出電壓差有關(guān)，以使定時(shí)器周期隨著日益嚴(yán)重的故障而縮短，從而確保 MOSFET 保持在其安全工作區(qū)之內(nèi)。
開(kāi)關(guān)浪涌抑制器
線性浪涌抑制器為需要高達(dá)約 4A 電流的系統(tǒng)提供了一種非常出色的解決方案，當(dāng)超出這個(gè)電流范圍時(shí)，該電路有效穿越長(zhǎng)時(shí)間浪涌的能力會(huì)受到 MOSFET 安全工作區(qū)的限制。對(duì)于較大的電流，通過(guò)采用專(zhuān)用的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器技術(shù)如今可提供一種更有效的解決方案，在該技術(shù)中，限制主要變成了系統(tǒng)熱質(zhì)量和相關(guān)的最大結(jié)溫考慮因素之一。
 
圖 3：LTC7860 高效率開(kāi)關(guān)浪涌抑制器
LTC7860 專(zhuān)為用作一款高效率開(kāi)關(guān)浪涌抑制器和 / 或輸入浪涌電流限制器而設(shè)計(jì)。在正常操作期間，LTC7860 處于壓差或 SWITCH-ON 模式，并持續(xù)驅(qū)動(dòng)外部 MOSFET，從而將輸入電壓傳遞至輸出。
LTC7860 在啟動(dòng)或響應(yīng)輸入過(guò)壓或輸出短路事件時(shí)切換進(jìn)入 PROTECTIVE PWM (保護(hù)性PWM) 模式，輸出電壓調(diào)節(jié)至安全值，從而使負(fù)載能夠在發(fā)生輸入過(guò)壓事件時(shí)繼續(xù)正常運(yùn)作。外部比較器限制電流檢測(cè)電阻器兩端的電壓，調(diào)節(jié)最大輸出電流，以針對(duì)過(guò)流故障提供保護(hù)。
可調(diào)定時(shí)器限制 LTC7860 可用于過(guò)壓或過(guò)流調(diào)節(jié)的時(shí)間。當(dāng)定時(shí)器到期時(shí)，外部 MOSFET 斷開(kāi)，直到 LTC7860 經(jīng)過(guò)冷卻期后重啟為止。通過(guò)在功率損耗很高時(shí)嚴(yán)格限制處于 PROTECTIVE PWM 模式的時(shí)間，可以針對(duì)正常工作情況優(yōu)化組件和熱量設(shè)計(jì)，使組件和設(shè)計(jì)方案能夠在發(fā)生高壓輸入浪涌和 / 或過(guò)流故障時(shí)安全地工作。還可以增加一個(gè) PMOS 以提供電池反向保護(hù)。
通過(guò)給 LTC7860 的電源偏置增加一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)穩(wěn)壓器，就可以將 60V 最大 VIN 至 SGND 范圍擴(kuò)大到超過(guò) 200V。
效率比較
就上述 LT4363 這類(lèi)線性浪涌抑制器和 LTC7860 開(kāi)關(guān)浪涌抑制器而言，一旦開(kāi)始調(diào)節(jié)，功率損耗就會(huì)顯著上升。在線性浪涌抑制器中，功率損耗是起調(diào)節(jié)作用的 MOSFET 之功耗。而在高效率浪涌抑制器或開(kāi)關(guān)浪涌抑制器中，內(nèi)部功率損耗由轉(zhuǎn)換效率決定。
線性浪涌抑制器功率損耗 = VOUT * IOUT * (VIN/VOUT -1)
開(kāi)關(guān)浪涌抑制器功率損耗 = VOUT * IOUT * (1/ 效率 - 1)
瞬時(shí)功率損耗例子：
線性 = 30V * 4A * (40V / 30V -1) = 40.0W
開(kāi)關(guān) = 30V * 4A * (1/92% -1) = 10.4W
由于功率損耗降低，因此與同級(jí)別的線性解決方案相比，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器將允許更高的輸出電流和功率級(jí)別。在開(kāi)關(guān)浪涌抑制器中，內(nèi)部浪涌功率損耗會(huì)比正常功率損耗增加 10 倍之多。如果停留在 PWM 模式調(diào)節(jié)中的時(shí)間受限，則運(yùn)行功率會(huì)超越穩(wěn)態(tài)操作中所能實(shí)現(xiàn)的水平。
浪涌抑制器保護(hù)的結(jié)果是，下游組件可具有較低的額定電壓，但在高 VIN 降壓型穩(wěn)壓器可用時(shí)，那為什么不使用其中一款而免除保護(hù)電路呢? 雖然這或許很吸引人，但是此類(lèi)降壓型穩(wěn)壓器電路將需要針對(duì)最壞情況而確定的組件，并將必需采取顯著增多的散熱措施。另外，這也許還會(huì)把上游電源置于容易遭受輸出短路故障損壞的境地。
MIL-STD-1275 要求和性能
在軍用車(chē)輛應(yīng)用中，LTC7860 保護(hù)采用 28V 車(chē)輛電源總線工作的設(shè)備，并用評(píng)估電路板進(jìn)行了測(cè)試。
MIL-STD-1275 版本 E 定義了各種電源變化情況，從穩(wěn)態(tài)工作到啟動(dòng)干擾、尖峰、浪涌和紋波，并針對(duì)每一種情況規(guī)定了要求，表 1 概述了這些情況。
表 1：MIL-STD-1275E 要求和 LTC7860 性能
|
MIL-STD-1275E
|
要求
|
LTC7860 性能 / 觀測(cè)數(shù)據(jù)
|
|
工作電壓
|
20V < VIN < 33V (包括紋波)
|
3.5V > VIN > 60V
|
|
電壓紋波
|
MIL-STD-461-F CS101-1
50Hz 至 5kHz，136dBuV，(6.31Vrms)
150kHz，106.5dBuV，(211mVrms)
擴(kuò)展至 250kHz
|
布設(shè)針對(duì)紋波的輸入濾波器是不切實(shí)際的，在理想的情況下，把紋波傳遞至下游降壓型穩(wěn)壓器，而該穩(wěn)壓器的電感器起一個(gè)濾波器的作用。
|
|
起動(dòng)干擾
|
12V、1s 的初始接合浪涌
16V、30s 的發(fā)動(dòng)浪涌
|
可在低至 6V (最小值) 的電壓下運(yùn)作，不會(huì)出現(xiàn)性能下降或受損。
|
|
注入的電壓尖峰
|
250V (持續(xù) 70µs) 和 100V (持續(xù) 1ms)
最大上升時(shí)間為 50ns
最大能量含量為 2 焦耳
|
一般來(lái)說(shuō) EMI 濾波器和電源電纜電感可消除窄尖峰。保護(hù)電路在有源組件上將需要 250V+ 的額定電壓值。
|
|
注入的電壓浪涌
|
100V (持續(xù) 50ms) 和 33V (持續(xù) 500ms)
上升時(shí)間 1 至 10ms，5 個(gè)脈沖
最大能量含量為 60 焦耳
|
正常運(yùn)作，并沒(méi)有性能劣化或受損情況出現(xiàn)，選擇具有高峰值脈沖電流的 MOSFET 以滿(mǎn)足大輸出負(fù)載的要求。
|
凌力爾特之前開(kāi)發(fā)的演示電路 DC2150A-C 也提供線性浪涌抑制器解決方案，該解決方案滿(mǎn)足之前的 MIL-STD-1275 修訂版 D 規(guī)范的要求。
結(jié)論
專(zhuān)用浪涌抑制器 IC 為無(wú)源保護(hù)電路提供了卓越的性能，有助于滿(mǎn)足未來(lái)系統(tǒng)減小尺寸、重量和功率的要求。
線性模式浪涌抑制器提供了具備低插入損耗的出色解決方案，適合輸出電流高達(dá) 4A 左右的系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)浪涌抑制器將輸出電流能力擴(kuò)展到 4A 以上，同時(shí)解決方案尺寸很小，效率很高。 |
