【導讀】各行各業的制造商不斷努力提高尖端性能，同時力求在這種創新與久經考驗的強大解決方案之間取得平衡。設計人員面臨著平衡設計復雜性、可靠性和成本的艱巨任務。一個子系統，特別是電子保護裝置，由于其性質而拒絕創新。這些系統保護敏感和昂貴的下游的電子設備（的FPGA，ASIC和微處理器），因此需要零故障率。
各行各業的制造商不斷努力提高尖端性能，同時力求在這種創新與久經考驗的強大解決方案之間取得平衡。設計人員面臨著平衡設計復雜性、可靠性和成本的艱巨任務。一個子系統，特別是電子保護裝置，由于其性質而拒絕創新。這些系統保護敏感和昂貴的下游的電子設備（的FPGA，ASIC和微處理器），因此需要零故障率。
許多傳統的和歷史證明的保護方法（例如二極管、保險絲和電視設備）都保持了其正常工作狀態，盡管這些方法通常效率低、體積大且需要維護。為了解決這些不足，有源智能保護IC已經證明它們能夠滿足傳統方法的保護要求，但在許多方面它們更加堅固。由于設備種類繁多，設計者最困難的問題就是簡單地選擇合適的解決方案。為了幫助設計者縮小選擇范圍，本文對傳統的保護方法進行了比較。
為什么要考慮電壓和電流保護設備？
所有行業中使用的電子設備數量的增加，以及昂貴的FPGA和處理器所處理功能的擴展，都增加了保護這些設備免受其惡劣工作環境影響的需求。除此之外，還需要小尺寸，高可靠性以及對過電壓和過電流浪涌事件的快速響應的需求。讓我們看一下挑戰和傳統保護方法，并將它們與提供更好的準確性，可靠性和設計靈活性的更新的替代解決方案進行比較。
汽車、工業、通信和航空電子系統必須通過一系列的功率操作-供應浪涌（圖1）。在每個這些市場中，瞬態事件在許多行業規范中都有定義。例如，ISO 7637-2和ISO 16750-2規范涵蓋了汽車瞬變，其中概述了預期瞬變的細節和測試程序，以確保對這些瞬變進行持續驗證。
圖1.一些更嚴格的ISO 16750-2測試的概述。
電涌事件的類型及其能量含量可能會根據使用電子設備的區域而有所不同。電路可被暴露于過壓、過流、反向-電壓和反向-電流條件。最終，如果直接面對圖1所示的瞬態條件，許多電子電路將無法生存，更不用說運行了。因此，設計人員必須考慮所有輸入事件并實施保護機制，以保護電路免受這些電壓和電流浪涌的影響。
設計挑戰
電子系統中存在許多不同的瞬態電壓和電流浪涌原因，但是某些電子環境比其他環境更容易發生瞬態事件。眾所周知，基于汽車，工業和通信環境的應用程序會遇到潛在的有害事件，給下游電子設備造成嚴重破壞。但是，電涌事件并不僅限于這些環境。
浪涌保護電路的其他可能選擇包括需要高壓或大電流電源的任何應用，或具有熱插拔電源連接功能的應用，或具有電機或可能遭受雷擊引起的瞬變的系統。高-電壓事件可以發生在寬范圍的時基，從微秒到幾百毫秒，因此靈活可靠的保護機制是必要的，以確保下游昂貴的電子設備的壽命。
例如，當交流發電機（為電池充電）暫時從電池上斷開時，可能會發生汽車甩負荷。這種斷開的結果是，來自交流發電機的滿充電電流被放置在電源線上，這會在數百毫秒內將電源電壓升高到很高的水平（ > 100 V ）。
通信應用有許多可能的浪涌原因，從熱插拔通信卡到可能暴露在雷擊下的戶外安裝。大型設施中使用的長電纜也有可能出現感應性電壓尖峰。
最終，在滿足公布的規格的同時，還必須了解設備必須在其中運行的環境。這有助于設計者建立一個最佳的保護機制，既堅固又不顯眼，但允許下游的電子裝置在安全電壓水平內運行，并盡量減少中斷。
傳統保護電路
考慮到這么多不同類型的電氣事件，在電子工程師的武器庫中應該采取什么措施來保護敏感的下游電子設備？
有這么多不同類型的電氣事件需要考慮，電子工程師的武器庫中應該有什么來保護敏感的下游電子產品呢？
傳統的保護實現依賴于幾個設備，而不是只有一個。例如，用于過壓保護的瞬態電壓抑制器（TVS），用于過流保護的在線保險絲，用于電池/電源反向保護的串聯二極管，以及用于濾除低能量尖峰的電容和電感的混合器件（圖2）。雖然離散設置可以滿足公布的規格 保護下游電路，但它們會導致復雜的實現，需要多次選擇迭代以正確確定濾波的大小。
圖2.傳統保護裝置。
讓我們仔細看看這些設備中的每一個，觸及這種實現方式的優點和缺點。
瞬態電壓抑制器
TVS是一個相對簡單的器件，有助于保護下游電路免受電源上的高壓尖峰的影響。它可以分成幾種不同的類型，這些類型具有廣泛的特性（下表按響應時間從小到大排列）。
盡管這些產品有一系列的結構和特性，但它們都以類似的方式運作。當電壓超過設備的閾值時，分流多余的電流。TVS在很短的時間內將輸出端電壓箝制在額定水平。例如，一個TVS二極管可以在低至皮秒的時間內作出反應，而氣體放電管（GDT）可能需要幾微秒的時間來作出反應，但能夠處理更大的浪涌。
圖3顯示了一個保護下游電路的TVS二極管的簡單實現。在正常工作條件下，TVS是高阻抗的，輸入電壓簡單地傳遞到輸出。當輸入端出現過壓情況時，TVS變得導電，并通過將多余的能量分流到地（GND）來作出反應，箝制下游負載看到的電壓。軌電壓上升到典型的操作值以上，但對于任何下游電路來說，被鉗制在一個安全水平的數值。
圖3.使用傳統的TVS解決方案防止電涌。
盡管TVS器件能有效地抑制非常高的電壓偏移，但在面臨持續的過電壓事件時，它們也不能避免損壞，從而導致需要定期監測或更換器件。另一個問題是，TVS可能會出現短路故障，從而撬動了輸入電源。
此外，根據所涉及的能量，它們在物理上可能很大，需要與余量相匹配，增加了解決方案的尺寸。即使TVS的尺寸正確，下游電路也必須能夠處理鉗制的電壓，導致下游電壓等級要求增加。
在線式熔斷器
過流保護可以使用無處不在的在線保險絲來實現，其熔斷額定值比額定值高一些--例如，比最大額定電流高20%（該百分比取決于電路類型以及預期的典型操作負載）。當然，保險絲最大的問題是，它們一旦熔斷就必須被更換。
保險絲的簡單設計所帶來的時間和成本節約可能會因為相對復雜的維護工作而在日后產生，特別是當應用在物理上難以達到時。使用替代性保險絲可以降低維護要求，例如可復位保險絲，它利用正溫度系數，在大于正常電流通過設備時打開電路（電流水平的增加會提高溫度，導致電阻急劇增加）。
撇開維護問題不談，保險絲最大的問題之一是其反應時間，這可能會因所選保險絲的類型而有很大差異。有快速熔斷的保險絲，但清零時間（打開電路的時間）仍然可以從數百微秒到數毫秒不等。因此，電路設計者必須考慮在這些延長的時間內所釋放的能量，以確保下游電子設備能夠存活。
串聯二極管
在某些環境中，電路容易遭受電源斷開和重新連接的影響，例如在電池供電的環境中。在這種情況下，重新連接電源時不能保證正確的極性。
極性保護可以通過在電路的正電源線上添加一個串聯二極管來實現。盡管這種簡單的添加可以有效地防止極性反接，但是串聯二極管的電壓降會導致相應的功耗。在電流相對較低的電路中，折衷最小，但是對于許多現代的高電流軌，則需要替代解決方案。圖4顯示了對圖3的更新，顯示了TVS和增加的串聯二極管，以防止反極性連接。
圖4.添加串聯二極管可防止極性反接，但是在大電流系統中，二極管的壓降可能會成為問題。
使用電感和電容的過濾器
到目前為止所討論的無源解決方案都限制了通過的事件的振幅，但它們通常會捕獲較大的事件，而留下一些較小的尖峰通過。這些較小的瞬態仍然會對下游電路造成損害，因此需要額外的無源濾波器來清潔線路。這可以通過使用分立電感器和電容器來實現，其大小必須能衰減不需要的頻率的電壓。
濾波器的設計需要在設計前進行測試和測量，以確定尺寸和頻率，然后才能正確確定濾波器的尺寸。這種途徑的缺點是BOM的成本和不動產的要求--為達到濾波水平所需的電路板面積和元件的成本--以及需要過度設計，這意味著對元件的公差進行評級，以補償隨時間和溫度的變化。
使用電涌保護器的主動保護
克服上述無源保護解決方案的挑戰和缺點的方法之一是利用浪涌阻斷器IC。浪涌抑制器通過一個控制器IC和一個串聯的N溝道MOSFET消除了對龐大的分流電路（TVS器件、保險絲、電感器和電容器）的需求。電涌止動器控制器可以大大簡化系統設計，因為需要確定尺寸和合格的元件很少。
浪涌抑制器持續監測輸入電壓和電流。在額定工作條件下，控制器驅動N溝道MOSFET通過器件的柵極完全打開，提供一個從輸入到輸出的低電阻路徑。當過壓或浪涌情況發生時--閾值由輸出端的反饋網絡決定--IC調節N溝道MOSFET的柵極，將MOSFET的輸出電壓鉗制在由電阻分壓器設定的水平上。
圖5顯示了浪涌抑制器實施的簡化原理圖，以及標稱12-V軌道上100V輸入浪涌的結果。在浪涌事件的持續時間內，浪涌抑制器電路的輸出被鉗制在27V。一些浪涌抑制器還使用一個串聯感應電阻（圖5中的斷路器）監測過流情況，并調整N溝道MOSFET的柵極，以限制呈現給輸出負載的電流。
圖5.浪涌抑制器實現的高級示意圖。
浪涌抑制器有四種類型，按其對過電壓事件的響應進行分類：
線性電涌保護器
閘門夾
開關型電涌保護器
輸出斷開保護控制器
電涌保護器的選擇取決于應用，所以我們來比較一下它們的操作和優勢。
線性電涌保護器
線性浪涌抑制器（圖6）驅動串聯MOSFET，很像一個線性穩壓器，將輸出電壓限制在預先設定的安全值，將多余的能量耗散在MOSFET中。為了幫助保護MOSFET，該器件通過實施電容性故障定時器來限制在高耗散區域的時間。
圖6. LT4363線性電涌保護器。
柵極鉗制浪涌保護器
柵極鉗制浪涌抑制器（圖7）通過利用內部或外部鉗制（例如，內部31.5V或50V，或可調節的外部鉗制）將柵極引腳限制在這一電壓。然后，MOSFET的閾值電壓決定了輸出電壓的限制。例如，用一個內部31.5V的柵極鉗和一個5V的MOSFET閾值電壓，輸出電壓被限制在26.5V。另外，一個外部柵極鉗允許選擇更廣泛的電壓范圍。
圖7. LTC4380柵極鉗位浪涌抑制器。
開關式電涌保護器
對于較高功率的應用，開關浪涌抑制器是一個不錯的選擇（圖8）。與線性和門控浪涌抑制器一樣，開關浪涌抑制器在正常工作情況下完全增強了通過FET，以便在輸入和輸出之間提供一個低電阻路徑（最大限度地減少功率耗散）。
圖8. LTC7860開關浪涌抑制器。
當檢測到電涌事件時，開關式電涌保護器與線性或門控電涌保護器之間的主要區別就出現了。在發生電涌時，開關式電涌保護器的輸出通過開關外部MOSFET調節到鉗位電壓，這與開關式DC-DC轉換器非常相似。
保護控制器:輸出斷開
保護控制器并不是正式的電涌抑制器，但它確實能阻止電涌。像浪涌抑制器一樣，保護控制器監測過壓和過流情況，但保護控制器不是箝制或調節輸出，而是立即斷開輸出以保護下游電子。
這種簡單的保護電路可以有一個非常緊湊的尺寸，適用于電池操作的便攜式應用。例如，圖9顯示了保護控制器（在本例中是LTC4368）的簡化原理圖，以及它對過壓事件的響應。保護控制器有許多變體可供選擇。
圖9. LTC4368保護控制器。
保護控制器通過監測輸入電壓來確保其保持在由OV/UV引腳上的電阻分壓器配置的電壓窗口內，當輸入超出該窗口時，通過背對背MOSFET斷開輸出（圖9，再次）。背對背MOSFET也可以防止輸入被逆轉。輸出端的感應電阻通過持續監測正向電流實現過流保護能力，但沒有基于定時器的穿越操作。
電涌止動器的特點
要為您的應用選擇最合適的浪涌保護器，您需要知道有哪些功能，以及它們幫助解決的挑戰。這些設備可以在parametrictable上找到。
斷開與穿越
一些應用要求在檢測到浪涌事件時將輸出與輸入斷開。在這種情況下，就需要過電壓斷開。如果你需要輸出在面對浪涌事件時保持運行，從而最大限度地減少下游電子設備的停機時間，你將要求浪涌保護器穿越浪涌事件。在這種情況下，線性或開關式浪涌保護器可以實現這一功能（如果功率水平對所選的拓撲結構和FET來說是合理的）。
故障計時器
穿越操作需要為MOSFET提供一定的保護，以防持久性浪涌。保持在安全操作區域（SOA ）中在FET中，可以實現一個定時器。計時器本質上是接地電容。當發生過壓情況時，內部電流源開始為該外部電容器充電。
一旦電容器達到一定的閾值電壓，數字故障引腳就會拉低以指示傳輸晶體管將因擴展的過壓條件而很快關閉。如果定時器引腳電壓繼續上升到次級閾值，則GATE引腳將拉低以關閉MOSFET。
計時器電壓的變化率隨MOSFET兩端的電壓而變化，也就是說，對于較大的電壓，較短的計時器，對于較小的電壓，較長的計時器。這項有用的功能使器件能夠經受短暫的過壓事件，從而使下游組件保持工作狀態，同時保護MOSFET免受持續時間較長的過壓事件的損害。某些設備具有重試功能，使設備可以在冷卻時間過后再次打開輸出。
過流保護
許多電涌制動器具有監視電流并防止過電流事件的能力。這是通過監視串聯檢測電阻兩端的壓降并做出適當響應來實現的。還可以監視和控制浪涌電流，以保護MOSFET。該響應可能類似于過壓情況，因為它可以通過閉鎖斷開連接，也可以在電路可以處理功率水平的情況下穿越事件。
反向-輸入保護
反向輸入保護是可能的，因為浪涌止動裝置的寬的工作能力（能夠承受高達低于地電位60 V在某些設備上的）。圖10顯示了一個背到后面MOSFET實現的反向-電流保護。在正常工作期間，Q2和Q1通過GATE引腳導通，而Q3則沒有任何影響。但是，當存在反向電壓條件時，Q3導通，將Q2的柵極下拉至負輸入并隔離Q1，從而保護輸出。
圖10.顯示的是LT4363反向輸入保護電路。
強大的器件引腳保護也可實現反向輸出電壓保護。下面接地電位高達20 V是可能的，取決于所選擇的裝置上。
對于要求寬輸入電壓范圍的應用，可以使用浮動拓撲浪涌抑制器。當發生電涌事件時，電涌抑制器IC會看到完整的電涌電壓。因此，內部晶體管技術限制了IC的電壓范圍。
使用浮動浪涌抑制器（例如LTC4366），IC浮動在輸出電壓以下，從而提供了更大的工作電壓范圍。在返回線（ V SS ）中放置了一個電阻，該電阻使IC隨電源電壓浮動。結果是由外部組件和MOSFET的電壓能力設置的輸入電壓限制。圖11顯示了一個應用電路，該電路能夠在很高的直流電源下工作，同時保護下游負載。
圖11.這是LTC4366高壓浮動拓撲。
為我的應用選擇合適的設備
在許多方面，由于其固有的堅固設計，使用浪涌抑制器可簡化保護電路的設計。數據表可以極大地幫助您確定組件的大小，并且已經顯示了許多可能的應用。最難的部分可能是選擇最合適的設備。請按照以下幾個步驟來縮小范圍：
查閱保護參數表。
選擇輸入電壓范圍。
選擇通道的數量。
篩選功能以縮小可能的選項。
與所有產品選擇一樣，在尋找正確的設備之前了解您的系統要求很重要。一些重要的考慮因素是預期的供電電壓和下游電子設備的電壓容限（對于確定鉗位電壓很重要），以及對設計很重要的任何特定功能。
下面列出了一些經過過濾的參數表示例，以供參考，這些示例可以在網站上進行進一步修改以包括其他一些參數：
高-電壓浪涌-擋塊裝置可以找到這里。
具有OV斷開功能的保護控制器可在此處找到。
無論采用哪種浪涌-限位器類型，基于IC的有源浪涌-限位器設計都無需使用笨重的TVS二極管或大型電感器和電容器來進行濾波。這導致總體上較小的面積和較小的輪廓解決方案。
輸出電壓鉗位比TVS的精度更高，精度可達到1％至2％。這樣可以防止過度設計，并允許選擇公差更嚴格的下游設備。采用這種方法，可使設計人員為下游設備實現可靠，靈活和小尺寸的保護，尤其是那些面臨嚴酷的過電壓和過電流事件的設備，在許多基于工業、汽車、航空和通信的設計中都可能發生這種情況。
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