摘要

在許多應(yīng)用中，防止過(guò)壓至關(guān)重要。本文將闡釋如何利用保護(hù)電路來(lái)消除過(guò)壓。

引言

例如，在配電系統(tǒng)中，高負(fù)載的快速斷開(kāi)可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓的產(chǎn)生。為保護(hù)連接到同一電源的其他負(fù)載，建議采取浪涌保護(hù)措施。圖1所示為一個(gè)保護(hù)電路的布局，在待保護(hù)的電子電路前端使用了LT4363。此示例源自一個(gè)額定電源電壓為24 V的工業(yè)應(yīng)用。

圖1.用于攔截電壓浪涌的浪涌保護(hù)電路的簡(jiǎn)易圖示。 

通常情況下，在出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)，受到保護(hù)的電子設(shè)備應(yīng)保持不間斷地運(yùn)行。這就要求保護(hù)電路能夠使斷路器（圖1中的Q1）在線性范圍內(nèi)工作。在出現(xiàn)過(guò)壓期間，MOSFET既不會(huì)完全關(guān)斷，也不會(huì)完全導(dǎo)通，而是處于部分導(dǎo)通狀態(tài)。在這種工作狀態(tài)下，它的作用就像一個(gè)電阻，過(guò)壓會(huì)在其上產(chǎn)生壓降。因此，升高的電壓所蘊(yùn)含的能量會(huì)在MOSFET Q1中轉(zhuǎn)化為熱量。根據(jù)所選MOSFET的不同，它只能在一定時(shí)間內(nèi)承受這種熱量，之后便會(huì)因過(guò)熱而損壞。

圖2.MOSFET的典型SOA曲線。

圖2顯示了MOSFET的典型安全工作區(qū)(SOA)曲線。SOA曲線定義了器件在不同電壓降下可承載的電流大小，以及能夠持續(xù)承載該電流的時(shí)長(zhǎng)。如果希望有更大的電流長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)MOSFET，就必須選擇SOA范圍更大的MOSFET。SOA的范圍越大，MOSFET的尺寸也就越大。這同樣會(huì)增加元件的成本。

為了實(shí)現(xiàn)元件尺寸的優(yōu)化，通常會(huì)選用盡可能小的MOSFET，并確保其安全運(yùn)行。這意味著所選的MOSFET既不尺寸過(guò)大，又要在實(shí)際應(yīng)用中充分利用其SOA的大部分范圍。為此，控制器IC要能夠精確識(shí)別工作狀態(tài)，以判斷MOSFET的運(yùn)行是否處于SOA的安全范圍內(nèi)。然而，許多控制器IC僅僅測(cè)量流過(guò)MOSFET的電流。若還能了解MOSFET兩端的電壓降，那就更好了。

圖3.在LT4363中，根據(jù)漏源電壓對(duì)定時(shí)電容器進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)對(duì)SOA曲線的一種準(zhǔn)仿真。

LT4363浪涌保護(hù)器件不僅會(huì)考慮流過(guò)MOSFET的電流大小，還會(huì)考慮源極和漏極之間施加的電壓。如此一來(lái)，MOSFET能夠在線性模式下更安全地運(yùn)行，而且也許能夠選擇尺寸更小的MOSFET，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本。

這種保護(hù)機(jī)制的工作原理是，根據(jù)所測(cè)量的電流和壓降，對(duì)圖1中TMR引腳上的定時(shí)電容器進(jìn)行充電。如果電容器上的電壓上升到1.275 V以上，就會(huì)發(fā)出警告。而當(dāng)電壓高于1.375 V時(shí)，MOSFET會(huì)完全關(guān)斷，以實(shí)施保護(hù)。

圖3顯示了圖1中LT4363的定時(shí)電容器上的電壓如何由于圖1中MOSFET Q1上的VDS電壓而上升。對(duì)于流過(guò)MOSFET Q1的電流，同樣有類似的充電圖示。這些參數(shù)可確保不會(huì)超出MOSFET的SOA曲線，不僅實(shí)現(xiàn)了安全運(yùn)行，也起到了過(guò)壓保護(hù)的作用。

結(jié)論

過(guò)壓保護(hù)模塊看起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單且不起眼，但一些細(xì)微的特性卻能在過(guò)壓保護(hù)的性能表現(xiàn)及MOSFET的選型方面產(chǎn)生重大影響。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車(chē)和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過(guò)90億美元，全球員工約2.4萬(wàn)人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

作者簡(jiǎn)介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的電源管理專家。他曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，幫助客戶在項(xiàng)目中實(shí)施電源管理解決方案，進(jìn)而積累了不少經(jīng)驗(yàn)。在此期間，他還在美國(guó)亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔(dān)任應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個(gè)產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識(shí)，目前擔(dān)任電源管理專家。Frederik在ADI的德國(guó)慕尼黑分公司工作。