| 引言
在過大的電壓或電流被加至集成電路所產(chǎn)生的電過應(yīng)力 (EOS) 是誘發(fā) IC 故障的主要起因之一，而且還會導(dǎo)致所謂 “帶傷運行” 產(chǎn)品的出現(xiàn)，此類產(chǎn)品雖能繼續(xù)工作，但構(gòu)成了一種可靠性危險，并有可能引起過早的系統(tǒng)故障。
EOS 事件會引起局部發(fā)熱效應(yīng)并造成芯片級敷金屬或結(jié)點受損，但一開始或許并不存在明顯的缺陷。隨著時間的推移以及溫度和電壓偏置的加速作用，此類損壞將改變性能特征，并有可能造成電遷移、熱點和熱失控，從而導(dǎo)致全面的 IC 故障。
長久以來人們就認識到了這類風(fēng)險，因此負責(zé)保證設(shè)備安全性、可靠性和性能的機構(gòu)及標準化組織已經(jīng)制定了多種規(guī)范，以針對各種潛在的壓力過大問題保護電子電路。
這類風(fēng)險之一與上游電源干擾有關(guān)，本文中我們集中探討美國國防部接口標準 MIL-STD-1275，該標準與 28V DC 軍用車輛電源有關(guān)，還有其他一些類似的國家級規(guī)范，例如英國的 DEFSTAN 61-5 Part 6。飛機有自己的標準，例如，DO-160 面向民用飛機，MIL-STD-704 面向軍用飛機。雖然特定的脈沖特性發(fā)生了變化，但它們在概念上都是非常相似的，因此適用于同樣的原理。
盡管芯片內(nèi)置的 ESD 保護功能可以在某種程度上針對電源干擾引起的 EOS 事件提供保護，但是這類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，會有反反復(fù)復(fù)超出 IC 最大絕對額定值的事件發(fā)生。
針對電壓浪涌、尖峰和紋波提供保護
電壓尖峰的特點是持續(xù)數(shù)十微妙及高達幾百伏的電壓，由雷擊或負載階躍的感應(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 100V，持續(xù)數(shù)十或數(shù)百毫秒，由拋載引起。當負載電路或電池斷接導(dǎo)致交流發(fā)電機兩端的電壓在短時間內(nèi)快速上升，并因此導(dǎo)致使用同一電源的其他負載遇到同一電壓浪涌。正如我們稍后會看到的那樣，這可能是一個富挑戰(zhàn)性及難以解決的問題。
疊加在輸入電源之穩(wěn)態(tài)電壓軌上的電壓紋波會造成進一步的設(shè)計挑戰(zhàn)。適度振幅的紋波可由輸入電容器濾波至保護電路，但是在較大紋波和較大電流情況下，通過保護電路將紋波傳送到下游穩(wěn)壓級的做法會更實用且效率更高。
過壓保護電路
傳統(tǒng)的無源過壓保護電路 (圖 1) 需要相對較大和笨重的組件，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問題。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)致無源組件損壞。
圖 1：無源過壓保護電路
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、過流保護和更多功能，同時減少了所需電路板面積。一個例子是 LT4363 高壓浪涌抑制器 (圖 2)。我們之所以稱這款 IC 是一種線性浪涌抑制器，是因為其操作與線性穩(wěn)壓器類似。
圖 2：具電流限制的 LT4363 浪涌抑制器
在正常操作情況下，一個外部 N 溝道 MOSFET 被驅(qū)動至全通，并充當一個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，從而使負載電路能夠在瞬態(tài)事件發(fā)生期間繼續(xù)運行。
SNS 和 OUT 引腳之間的可選電阻器用來控制過流事件，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電壓限制到 50mV。
無論過壓還是過流事件都會啟動一個電流源給連至 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)，以使定時器周期隨著日益嚴重的故障而縮短，從而確保 MOSFET 保持在其安全工作區(qū)之內(nèi)。
開關(guān)浪涌抑制器
線性浪涌抑制器為需要高達約 4A 電流的系統(tǒng)提供了一種非常出色的解決方案，當超出這個電流范圍時，該電路有效穿越長時間浪涌的能力會受到 MOSFET 安全工作區(qū)的限制。對于較大的電流，通過采用專用的開關(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 高效率開關(guān)浪涌抑制器
LTC7860 專為用作一款高效率開關(guān)浪涌抑制器和 / 或輸入浪涌電流限制器而設(shè)計。在正常操作期間，LTC7860 處于壓差或 SWITCH-ON 模式，并持續(xù)驅(qū)動外部 MOSFET，從而將輸入電壓傳遞至輸出。
LTC7860 在啟動或響應(yīng)輸入過壓或輸出短路事件時切換進入 PROTECTIVE PWM (保護性PWM) 模式，輸出電壓調(diào)節(jié)至安全值，從而使負載能夠在發(fā)生輸入過壓事件時繼續(xù)正常運作。外部比較器限制電流檢測電阻器兩端的電壓，調(diào)節(jié)最大輸出電流，以針對過流故障提供保護。
可調(diào)定時器限制 LTC7860 可用于過壓或過流調(diào)節(jié)的時間。當定時器到期時，外部 MOSFET 斷開，直到 LTC7860 經(jīng)過冷卻期后重啟為止。通過在功率損耗很高時嚴格限制處于 PROTECTIVE PWM 模式的時間，可以針對正常工作情況優(yōu)化組件和熱量設(shè)計，使組件和設(shè)計方案能夠在發(fā)生高壓輸入浪涌和 / 或過流故障時安全地工作。還可以增加一個 PMOS 以提供電池反向保護。
通過給 LTC7860 的電源偏置增加一個簡單的并聯(lián)穩(wěn)壓器，就可以將 60V 最大 VIN 至 SGND 范圍擴大到超過 200V。
效率比較
就上述 LT4363 這類線性浪涌抑制器和 LTC7860 開關(guān)浪涌抑制器而言，一旦開始調(diào)節(jié)，功率損耗就會顯著上升。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)
開關(guān)浪涌抑制器功率損耗 = VOUT * IOUT * (1/ 效率 - 1)
瞬時功率損耗例子：
線性 = 30V * 4A * (40V / 30V -1) = 40.0W
開關(guān) = 30V * 4A * (1/92% -1) = 10.4W
由于功率損耗降低，因此與同級別的線性解決方案相比，開關(guān)浪涌抑制器將允許更高的輸出電流和功率級別。在開關(guān)浪涌抑制器中，內(nèi)部浪涌功率損耗會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)中的時間受限，則運行功率會超越穩(wěn)態(tài)操作中所能實現(xiàn)的水平。
浪涌抑制器保護的結(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，那為什么不使用其中一款而免除保護電路呢? 雖然這或許很吸引人，但是此類降壓型穩(wěn)壓器電路將需要針對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
在軍用車輛應(yīng)用中，LTC7860 保護采用 28V 車輛電源總線工作的設(shè)備，并用評估電路板進行了測試。
MIL-STD-1275 版本 E 定義了各種電源變化情況，從穩(wěn)態(tài)工作到啟動干擾、尖峰、浪涌和紋波，并針對每一種情況規(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
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MIL-STD-1275E
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要求
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LTC7860 性能 / 觀測數(shù)據(jù)
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工作電壓
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20V < VIN < 33V (包括紋波)
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3.5V > VIN > 60V
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電壓紋波
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MIL-STD-461-F CS101-1
50Hz 至 5kHz，136dBuV，(6.31Vrms)
150kHz，106.5dBuV，(211mVrms)
擴展至 250kHz
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布設(shè)針對紋波的輸入濾波器是不切實際的，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濾波器的作用。
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起動干擾
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12V、1s 的初始接合浪涌
16V、30s 的發(fā)動浪涌
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可在低至 6V (最小值) 的電壓下運作，不會出現(xiàn)性能下降或受損。
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注入的電壓尖峰
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250V (持續(xù) 70µs) 和 100V (持續(xù) 1ms)
最大上升時間為 50ns
最大能量含量為 2 焦耳
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一般來說 EMI 濾波器和電源電纜電感可消除窄尖峰。保護電路在有源組件上將需要 250V+ 的額定電壓值。
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注入的電壓浪涌
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100V (持續(xù) 50ms) 和 33V (持續(xù) 500ms)
上升時間 1 至 10ms，5 個脈沖
最大能量含量為 60 焦耳
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正常運作，并沒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 以滿足大輸出負載的要求。
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凌力爾特之前開發(fā)的演示電路 DC2150A-C 也提供線性浪涌抑制器解決方案，該解決方案滿足之前的 MIL-STD-1275 修訂版 D 規(guī)范的要求。
結(jié)論
專用浪涌抑制器 IC 為無源保護電路提供了卓越的性能，有助于滿足未來系統(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 4A 左右的系統(tǒng)。開關(guān)浪涌抑制器將輸出電流能力擴展到 4A 以上，同時解決方案尺寸很小，效率很高。 |
