高电压浪涌抑制器可确保电源浪涌期间的可靠操作

高电压浪涌抑制器可确保电源浪涌期间的可靠操作

Alison Steer
产品市场经理
混合信号产品部
凌力尔特公司

在工业、汽车和航空电子应用中，经常会遇到持续几 μs 至几百 ms 的高电压电源尖峰。这些系统中的电子线路不仅必须安然承受瞬态电压尖峰，而且在许多场合还需要在此过程中可靠地运作。在那些通过长导线供电的系统中，负载阶跃 (负载电流的突然变化) 将产生严重的瞬变。当负载电流从一个高值降至一个低值时，将发生负的负载瞬变。电流的负变化 (dI/dt) 致使导线的寄生电感产生一个正向高电压尖峰，这有可能导致由同一根导线供电的相邻设备受损。高的 dI/dt 值因快速负载切换而产生 (例如：由继电器、开关触点和固态负载切换所引起)。如果电源与负载之间的连线受损，就会导致电流流动的突然中断以及一个很高的 dI/dt 值。这种情况的一个最好的例子便是汽车的负载突降，在此场合中，至电池的连接线由于振动或端子受损而突然断开。

负载突降会造成一个电压浪涌在持续几百 ms 的时间里处于上升状态 (见图 1)。根据美国汽车工程师协会 (SAE) 提供的数据，此类瞬变的幅度有可能高达 125V。典型的负载突降模式具有 5ms 的上升时间，并呈指数性衰减 (具有一个 200ms 的时间常数)。在工业系统中，由于螺线管及电机中的再生制动会引发相似的事件。

图 1：典型的负载阶跃波形

电子电路在汽车中的使用变得愈发普遍，而且它们必须具备可靠性。此外，精细复杂的消费电子产品 (比如：智能手机、笔记本电脑、MP3 播放器、GPS 以及通过汽车点烟器充电的数据输入装置) 还必须保护其自身免遭重复性瞬变与意外电压尖峰的损坏。倘若未提供针对高瞬变电压的充分保护，就将导致性能下降或发生故障并要对高昂的受损组件进行更换。

对于专注于保护敏感电子线路的工程师而言，这类瞬变带来了一个棘手的难题。历史上，这种保护是采用大容量电容器、TVS 二极管和熔丝实现。不过，此类分立式解决方案既大量占用电路板面积资源，而且还有可能无法实施。

凌力尔特于 2007 年首次推出了旨在解决这些难题的 LT4356 浪涌抑制器。LT4356 可在 4V 至 80V 的电压范围内运作，并在输入引脚上提供了 -60V 的反向保护。在过压瞬变期间，输出被箝位至一个用户定义的电压 (该电压由输出端上的电阻分压器网络确定)。只要在输入端上使用了一个电阻器和 TVS 二极管 (以避免超过绝对最大工作电压)，LT4356 就能抑制 >100V 的浪涌电压 (见图 2)。由于电流检测电路位于 MOSFET 的上游，因此在器件用于提供针对高于 100V 瞬变的保护时必须停用过流保护功能电路。

图 2：LT4356 可在输入端上承受 150V 的瞬态电压

最近，凌力尔特的浪涌抑制器系列增添了两款新器件，即 LTC4366 高电压浮置浪涌抑制器和具过流保护功能的 LT4363 高电压浪涌抑制器。LTC4366 设计用于那些在高于 100V 电压下连续工作的系统，或者需要提供针对极高瞬变电压 (>200V) 之保护的场合 (见图 3)。LT4363 是广受欢迎的 LT4356 之第二代版本，它将过流检测电路移至传输 FET 的下游，这样就能在承受超过 100V 瞬变电压的同时提供过流保护功能 (图 4)。

不过，和 LT4356 一样，LT4363 的绝对最大额定值为 100V，因此必须采用一个电阻器和 TVS 二极管以保护输入免遭 >100V 之高瞬变电压的损坏，如图 3 所示。与此不同，LTC4366 则采用一种浮置拓扑结构；外部降压电阻器允许其输出电压随电源向上浮置，并将其与高电压浪涌隔离开来。最高工作电压仅受限于高值电阻器的可用性，并需确定 MOSFET 的规格以处理电压调节期间的耗散功率。

 图 3：LTC4366 高电压浮置浪涌抑制器

图 4：具过流保护功能的 LT4363 高电压浪涌抑制器

特性与优势：

LT4363 和 LTC4366 具备某些共有特性。下面说明了这些器件所拥有的特性及其各自的优势所在：

• 宽工作范围：

? LT4363 提供了一个很宽的工作范围 (4V 至 80V)，能在冷车发动条件下 (此时电池电压可能低至 4V) 连续运作。LT4363 还可用作一款宽工作范围热插拔 (Hot SwapTM) 控制器。如果采用了一个 TVS 二极管和电阻器以避免器件超过其 100V 的绝对最大额定值，则该器件将能承受高于 100V 的过压瞬变。

? LTC4366 的工作范围从 9V 延伸至 >500V，能采用一种浮置拓扑结构以极高的电压工作。最高工作电压仅受限于高值电阻器的可用性和 MOSFET 的额定值。虽然 LTC4366 不能用于冷车发动应用，但仍可用于许多无需在点火期间工作