LTC4366高壓浪涌抑制器應(yīng)用深入講解（獨(dú)家收錄）

LTC4366浪涌抑制器可保護(hù)負(fù)載免遭高壓瞬變的損壞。通過控制一個(gè)外部N溝道MOSFET的柵極，LTC4366可在過壓瞬變過程中調(diào)節(jié)輸出。在MOSFET兩端承載過壓的情況下，負(fù)載可以保持運(yùn)作狀態(tài)。在返回線路中布設(shè)一個(gè)電阻器可隔離LTC4366，并允許其隨電源向上浮動(dòng)；因此，輸出電壓的上限僅取決于高值電阻器的可用性和MOSFET的額定規(guī)格。

一個(gè)可調(diào)的過壓定時(shí)器能在浪涌期間避免損壞MOSFET，而一個(gè)附加的9s定時(shí)器則為MOSFET提供了冷卻周期。停機(jī)引腳負(fù)責(zé)在停機(jī)期間將靜態(tài)電流減小至14A以下。在一個(gè)故障發(fā)生之后，LTC4366-1將鎖斷，而LTC4366-2則將執(zhí)行自動(dòng)重試操作。

應(yīng)用信息

LTC4366的典型應(yīng)用是一種需要過壓保護(hù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在過壓瞬變期間安全地向負(fù)載分配功率。下面討論外部組件的選擇。

雙并聯(lián)穩(wěn)壓器

LTC4366將兩個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器與外部降壓電阻器R_SS和R_IN配合使用，以在V_DD和OUT引腳上產(chǎn)生內(nèi)部電源軌。這些并聯(lián)調(diào)節(jié)電源軌可提供針對(duì)電路輸入電壓無(wú)限度的高電壓瞬變之過壓保護(hù)，而與LTC4366內(nèi)部電路的額定電壓無(wú)關(guān)。

在啟動(dòng)的起點(diǎn)、停機(jī)期間或過壓故障之后，GATE引腳電壓被箝位至OUT引腳，由此關(guān)斷MOSFET。這允許利用輸出負(fù)載和R_SS將V_SS和OUT引腳拉至地電位。在這種情況下，V_DD引腳電壓利用一個(gè)12V并聯(lián)穩(wěn)壓器箝位至V_SS。然后，把(完整電源電壓–12V)施加至負(fù)責(zé)設(shè)定分路電流R_IN電阻器上。分路電流可以高達(dá)10mA，這比V_DD引9A的典型靜態(tài)電流高出了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

在正常操作模式中，OUT電壓等于輸入電源電壓。當(dāng)C1滿充電時(shí)，I_C1在這一點(diǎn)上為零。在這種情況下，利用一個(gè)5.7V并聯(lián)穩(wěn)壓器對(duì)OUT和V_SS引腳之間的電壓進(jìn)行箝位。(輸入電源電壓–5.7V)被加至R_SS上。R_SS電流被分為三塊：5.7V分路電流、OUT和V_SS之間的偏置電流以及最終的R_IN電流。5.7V分路電流可高達(dá)10mA，大大超過了典型的OUT(160A)偏置電流。

開機(jī)時(shí)序

在輸入電源上升之后，V_DD和V_SS引腳之間的電壓并聯(lián)將調(diào)節(jié)至12V。接著，在內(nèi)部生成的電源V_CC產(chǎn)生一個(gè)30s的上電復(fù)位脈沖，該脈沖將進(jìn)行故障鎖存器的清零以及內(nèi)部鎖存器的初始化。然后，停機(jī)比較器確定SD引腳是否被外部拉至低電平，如果“是”則請(qǐng)求進(jìn)入一種低偏置電流停機(jī)狀態(tài)。否則將允許外部MOSFETM1開通。

從V_DD引腳接入，通過7.5AGATE上拉電流源給MOSFET柵極上電，這種方法被稱為“自舉”的方法。當(dāng)GATE電壓達(dá)到V_DD引腳電壓(減去一個(gè)肖特基二極管壓降)時(shí)，7.5A電流源將失去電壓降并停止向GATE充電(圖2中間的那個(gè)波形)。自舉法依賴于在GATE引腳電壓停止上升之后將C1充電至一個(gè)足夠的電壓。C1上的電壓隨后用作一個(gè)充電泵的電源，此充電泵負(fù)責(zé)把柵極充電至其終值(即：OUT+12V)。如果充電泵電流超過C1充電電流，則C1將放電。倘若C1電壓低于4.35V以下，則充電泵將暫停操作，并讓C1再充電。

如果電源開通并在大負(fù)載情況下不能把C1充起來(lái)，就有可能導(dǎo)致過熱現(xiàn)像的發(fā)生，并隨之造成器件受損。在柵極和輸出斜坡上升時(shí)，MOSFET兩端的壓降為輸入電源電壓減去輸出電壓。如果電源電壓低于C1充電所需的數(shù)值，則輸出將無(wú)法斜坡上升超越(電源電壓–MOSFET門限)。這種3V至5V的MOSFET壓降以及高負(fù)載電流將導(dǎo)致沒有任何保護(hù)或超時(shí)限值的功率耗散。

過壓故障

LTC4366可避免輸入電源上的過壓到達(dá)負(fù)載。一般地，傳輸晶體管完全導(dǎo)通，并以非常小的電壓降給負(fù)載供電。當(dāng)輸入電壓增加時(shí)，OUT電壓增加，直至其達(dá)到調(diào)節(jié)點(diǎn)(V_REG)為止。從該點(diǎn)起，任何進(jìn)一步的電壓增加都將降落在MOSFET的兩端。請(qǐng)注意，由于MOSFET仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此LTC4366可在短時(shí)間過壓過程中實(shí)現(xiàn)不間斷的運(yùn)作。

V_REG調(diào)節(jié)點(diǎn)利用兩個(gè)FB電阻器(R_FB1和R_FB2)來(lái)配置。調(diào)節(jié)放大器負(fù)責(zé)將FB引腳電壓與(門限OUT引腳電壓–1.23V)進(jìn)行比較。在調(diào)節(jié)期間R_FB1兩端的壓降為1.23V，而剩余的V_REG電壓則降落在R_FB2的兩端。當(dāng)輸出位于調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，起動(dòng)一個(gè)定時(shí)器以避免MOSFET中產(chǎn)生過大的功率耗散。通常利用一個(gè)1.8A下拉電流將TIMER引腳保持于低電平。在調(diào)節(jié)期間，TIMER引腳以9A的電流進(jìn)行充電。如果調(diào)節(jié)點(diǎn)的保持時(shí)間之長(zhǎng)足以使TIMER引腳電壓達(dá)到2.8V，則產(chǎn)生一個(gè)過壓故障鎖定。用于設(shè)定定時(shí)器電容器的公式為：

　C_T=3.5?t[nF/ms]

視版本的不同，該器件將冷卻并自動(dòng)起動(dòng)(LTC4366-2)，或者保持鎖斷狀態(tài)直到SD引腳啟動(dòng)一個(gè)重起為止(LTC4366-1)。冷卻時(shí)間通常為9秒，這提供了一個(gè)非常低的脈沖電源占空比。

在輸入電源過壓和滿負(fù)載電流條件下啟動(dòng)確實(shí)會(huì)使MOSFET的功率耗散遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般過壓浪涌時(shí)的水平。在柵極和輸出電壓斜坡上升期間，部分電源電壓(在滿電流時(shí))降落在MOSFET的兩端。在啟動(dòng)之后，正常的過壓浪涌發(fā)生在MOSFET關(guān)斷之前。對(duì)于MOSFET的安全工作區(qū)(SOA)計(jì)算，“設(shè)計(jì)實(shí)例”部分僅考慮了正常的過壓浪涌。在過壓情況下啟動(dòng)將需要對(duì)SOA做更多的考慮。

停機(jī)

LTC4366具有一種低電流(<20A)停機(jī)狀態(tài)，該狀態(tài)可通過利用一個(gè)開關(guān)電阻把GATE和OUT引腳連接在一起以關(guān)斷傳輸FET。在正常操作條件下，一個(gè)1.6A電流源將SD引腳上拉至V_DD引腳電壓。當(dāng)不使用停機(jī)狀態(tài)時(shí)，則SD引腳連接至V_DD。SD引腳拉至低于(V_DD引腳電壓–1.5V)并持續(xù)超過700s的濾波器時(shí)間，將啟動(dòng)停機(jī)狀態(tài)。該濾波器時(shí)間用于避免在瞬變期間發(fā)生不希望的停機(jī)啟動(dòng)。SD引腳通過二極管箝位在V_SS–0.7V，這需要對(duì)下拉器件進(jìn)行電流限(最大值為10mA)。限流的方法之一是連接一個(gè)與集電極開路下拉器件相串聯(lián)的外部470k電阻器。啟動(dòng)外部下拉電流源將超過內(nèi)部1.6A上拉電流源，并使得SD引腳電壓越過停機(jī)門限。在一個(gè)過壓故障之后，把器件置于停機(jī)狀態(tài)可將清除故障，從而在LTC4366退出停機(jī)狀態(tài)時(shí)立即恢復(fù)運(yùn)作。

輸出短路

輸出的突然短路會(huì)導(dǎo)致柵極電容器C_G過大的電流進(jìn)入LTC4366GATE引腳。GATE引腳通過一個(gè)10V至12V的箝位電路連到OUT。如果OUT引腳電壓被拉低而GATE引腳電壓利用C_G保持上拉，則箝位電路將由于在箝位電壓被超過時(shí)試圖對(duì)C_G進(jìn)行放電而受損。一種解決方案是增設(shè)一個(gè)與C_G串聯(lián)的1kR_S電阻器和一個(gè)旁路二極管，如圖3中所示。這個(gè)二極管使電容器能充當(dāng)一條旁路，在電源過壓期間吸收來(lái)自MOSFET漏極至柵極寄生電容器的能量。

電阻器額定功率

必須考慮圖1中R_SS電阻器的正確額定值。在過壓期間，OUT引腳處于調(diào)節(jié)電壓(V_REG)，因此R_SS兩端的電壓為V_REG–5.7V。一個(gè)小的最小電源電壓要求R_SS的阻值不能太大。于是，如果最小電源電壓與調(diào)節(jié)電壓之間的差異很大，則R_SS可能需要使用一個(gè)大功率電阻器。在過壓冷卻周期中，(全電源電壓–12V)會(huì)出現(xiàn)在R_IN的兩端。通常，R_IN的阻值比R_SS的阻值大幾倍，因而降低了針對(duì)該電阻器的功率和尺寸要求。

推薦閱讀：

1.LTC4366浪涌抑制器入門簡(jiǎn)介

摘要：一個(gè)可調(diào)的過壓定時(shí)器能在浪涌期間避免損壞MOSFET，而一個(gè)附加的 9s 定時(shí)器則為MOSFET提供了冷卻周期。停機(jī)引腳負(fù)責(zé)在停機(jī)期間將靜態(tài)電流減小至14 A以下。在 一個(gè)故障發(fā)生之后，LTC4366-1將鎖斷，而LTC4366-2則將執(zhí)行自動(dòng)重試操作。

2.LTC4366浪涌抑制器工作原理詳解

摘要：本 文描繪了三種操作狀態(tài)：起動(dòng)、運(yùn)行和調(diào)節(jié)模式。先前的浪涌抑制器件由輸入電源供電，因此所能承受 的浪涌電壓被限制為器件輸入引腳的擊穿電壓。如運(yùn)行模 式和調(diào)節(jié)模式所示，該器件的大部分電路都由輸出供電， 于是MOSFET將浪涌與器件的電源引腳隔離開來(lái)。這允許用于浪涌電壓高至外MOSFET的擊穿電壓。

外部PNP

在某些場(chǎng)合中，功率電阻器R_SS的體積可能很龐大。可以用大阻值(具較低功率和尺寸)的R_SS與一個(gè)PNP配合起來(lái)使用，如圖4所示。除了由BASE引腳供應(yīng)的0.8A電流之外，來(lái)自PNP的基極電流也必須流過R_SS，這將限制最大R_SS值。在有些場(chǎng)合，最小PNPβ低至35。當(dāng)V_SS電流為350A時(shí)，基極電流變?yōu)?0A?？梢?，與未采用PNP的應(yīng)用電路相比，這將允許使用一個(gè)大35(β)倍的R_SS。

最小電源電壓?jiǎn)?dòng)

當(dāng)針對(duì)最小電源電壓條件，行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合適的R_SS和R_IN以提供足夠的電流，從而足以把C1充電至4.75V，這一點(diǎn)是很重要的。決定最小電源電壓的參數(shù)包括：C1電壓、MOSFET門限電壓、一個(gè)串聯(lián)肖特基二極管電壓降、R_SS和R_IN的電阻、V_DD引腳中的電流，最后還有來(lái)自V_SS引腳的電流(見圖5)。

^VIN(MIN)^=(IVDD^•RIN^)+VD^+VTH^+VC1^+(IVSS^•RSS⁾

以上參數(shù)使用“電特性”表獲得：

V_C1=V_UVLO2=4.75V(UVLO2門限)

I_VDD=I_VDD(STHI)=9A(I_VDD啟動(dòng)，柵極為高電平)I_VSS=I_VSS(AMP)=45A(采用調(diào)節(jié)放大器時(shí)的I_VSS)

V_D=0.58V

V_IN(MIN)=(9A•R_IN)+0.58V+V_TH+4.75V+(45A•R_SS)

當(dāng)MOSFET柵極為高時(shí)，OUT引腳電壓等于電源電壓。這對(duì)最小電源電壓施加了另一個(gè)限制條件，因?yàn)槌潆姳冒裋_SS電流增加至160A。C1電壓假定被箝位在5.7V。這些數(shù)值在“電特性”表中被規(guī)定為V_Z(OUT)和I_VSS(CP)(充電泵接通)：

^VIN(MIN)^=VZ(OUT)^+(IVSS(CP)^•RSS⁾ 或

最后一個(gè)V_IN(MIN)公式設(shè)定了R_SS的最大值。在選擇R_SS之后，R_IN的最大值(針對(duì)該特定的R_SS)利用第一個(gè)

V_IN(MIN)公式來(lái)計(jì)算：

這兩個(gè)公式實(shí)現(xiàn)了R_SS和R_IN阻值的最大化(因而減少了功耗)，同時(shí)仍然提供了接通充電泵所必需的V_C1電壓。把電源電壓增加至超過最小電源電壓將增加R_SS中的電流和功率，并縮短C1充電所需的時(shí)間。至于那些有可能需要一個(gè)更小R_SS(MAX)的情形，將在“最大電源電壓?jiǎn)?dòng)”部分進(jìn)行討論。

最大電源電壓起動(dòng)

在啟動(dòng)期間，還有可能存在最大過壓電源。過壓保護(hù)電路必須在高電壓被傳送至負(fù)載之前喚醒。GATE引腳電壓在C1充電的過程中動(dòng)態(tài)地斜坡上升。電容器C1必須充電至2.55VUVLO1門限，以在OUT引腳電壓超過過壓調(diào)節(jié)點(diǎn)V_REG之前接通調(diào)節(jié)放大器和基準(zhǔn)。此類情況有可能把R_SS的阻值減小至上述“最小電源電壓?jiǎn)?dòng)”中所規(guī)定的最大值以下。R_SS中的電流超過了由V_SS引腳所供應(yīng)的電流(本質(zhì)上I_RIN)時(shí)，電容器C1開始充電。I_RIN=I_RSS時(shí)V_SS引腳上的電壓現(xiàn)在被標(biāo)記為V_SS(MATCH)。V_SS引腳電壓是一個(gè)位于R_IN和R_SS之間分壓器的中點(diǎn)電壓(在把V_DD至V_SS的齊納箝位電壓從電源電壓減去之后)。

當(dāng)V_IN增加時(shí)，V_SS(MATCH)電壓增加。如果匹配電壓超過了過壓調(diào)節(jié)點(diǎn)(V_REG)，則負(fù)載不受保護(hù)。情況的確如此，因?yàn)镃1在V_SS已經(jīng)超過V_REG時(shí)仍將需要充電至2.55V。由于OUT引腳電壓至少比V_SS高2.55V，因此它超過了規(guī)定的最大值。應(yīng)選擇充分低于V_REG(至少要低2.55V)的匹配點(diǎn)(在電源電壓處于最大值的情況下)，從而允許C1及時(shí)充電以保護(hù)負(fù)載免遭過壓的損壞。實(shí)際上，使V_SS引腳電壓比V_REG低7V可為C1的充電提供所需的裕量。

VSS(MATCH)(MAX) = VREG–7V

增加R_SS將提高匹配點(diǎn)，因此確定最大R_SS同時(shí)仍然提供針對(duì)過壓的保護(hù)是有益的。采用I_RIN=I_RSS：

采用：
RSS = VSS(MATCH)(MAX) = VREG – 7V
RIN = VIN – VZ(VDD) – VRSS

代入：

如果我們保證R_SS<R_SS(MAX)，則下式成立：
VSS(MATCH) < VSS(MATCH)(MAX)

C1負(fù)責(zé)對(duì)充電泵進(jìn)行旁路，且數(shù)值至少必需為0.22F。C1的尺寸也需要加以限制。柵極電容器(C_G)決定了最大輸出電容器C1_(MAX)，以將在OUT電壓超過過壓門限之前充電至2.55VUVLO1門限(V_UVLO1)。

在大多數(shù)場(chǎng)合中：

C1_(MAX)=10•C_G至100•C_G

GATE電容器，C_G

柵極電容器用于實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)功能。第一：C_G負(fù)責(zé)吸收過壓瞬變期間來(lái)自MOSFET柵極至漏極電容的電荷。第二：該電容器還充當(dāng)過壓調(diào)節(jié)放大器的一個(gè)補(bǔ)償組件。用于保證穩(wěn)定性的C_G最小值為2nF。最后，C_G可設(shè)定GATE和OUT引腳的電壓變化速率。GATE引腳電壓的上升斜率等于20A/C_G。該斜率決定了流入負(fù)載電容器的充電電流。

C_G的額定電壓必須大于調(diào)節(jié)電壓(V_REG)。

MOSFET的選擇

LTC4366驅(qū)動(dòng)一個(gè)N溝道MOSFET以傳導(dǎo)負(fù)載電流。MOSFET的重要特性是接通電阻R_DS(ON)、最大漏-源極電壓V_(BR)DSS、門限電壓和SOA。可容許的最大漏-源極電壓必須高于電源電壓。如果輸出短路到地或者在過壓過程之中，則整個(gè)的電源電壓將出現(xiàn)在MOSFET的兩端。

MOSFET的門限電壓在最小電源電壓?jiǎn)?dòng)計(jì)算中使用。對(duì)于采用低于12V電源的應(yīng)用，需要一個(gè)邏輯電平MOSFET。如果所用的電源高于12V，則使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)門限N溝道MOSFET就足夠了。

MOSFET的SOA必須包含所有的故障狀況。在正常操作中，傳輸晶體管完全導(dǎo)通，因而耗散極少的功率。但在過壓故障期間，GATE引腳電平被維持以通過MOSFET調(diào)節(jié)輸出電壓。大電流與MOSFET兩端的高壓降在這些場(chǎng)合中可以共存。必須將MOSFET的SOA曲線與故障定時(shí)器電容器的選擇一道加以審慎的考慮。

布局考慮

由于SD、V_DD和GATE引腳上具有高阻抗，因此這些引腳對(duì)于至地漏電流很敏感。例如：SD引腳上的至地漏電流若大于1.6A，則將啟動(dòng)停機(jī)狀態(tài)。提供遠(yuǎn)離接地走線的足夠間距并在裸露引腳上添加敷形涂層材料可降低漏電流中斷系統(tǒng)操作的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)把旁路電容器C1布設(shè)在盡可能靠近OUT和V_SS引腳的地方，這一點(diǎn)很重要。將10?電阻器安放在盡可能靠近MOSFET柵極引腳之處。這將減少導(dǎo)致MOSFET自激振蕩的寄生走線電容。

FB引腳在調(diào)節(jié)環(huán)路閉合時(shí)對(duì)寄生電容很敏感。這種電容性負(fù)載引起的后果之一是在過壓調(diào)節(jié)期間產(chǎn)生輸出振蕩。建議將電阻器R_FB1和R_FB2布設(shè)在靠近器件引腳的地方，并最大限度地減小FB走線本身的尺寸。

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