以更少的成本获得更多的系统电源保护

作者： Reno Rossetti

保护电路是现代电子产品的无名英雄。无论是何种应用，从交流线路到数字负载的长电链都穿插着各种尺寸和形状的保险丝和瞬态电压抑制器。沿着电气路径，电气压力源（例如存储电容器引起的浪涌电流、接线错误或断电引起的反向电流、感应负载开关或闪电引起的过压和欠压）可能会损坏宝贵的电子负载。对于采用脆弱的亚微米和低压技术构建的微处理器和存储器而言，情况就是如此。就像士兵建造堡垒墙一样，有必要在负载周围建立一个保护周边，以处理这些潜在的灾难性事件。

保护电子设备必须在其电压和电流额定值范围内处理过压/欠压、过流和反向电流等故障条件。如果预期电压浪涌超过此处讨论的保护电子设备额定值，则可以添加额外的保护层，以滤波器和瞬态电压抑制 （TVS） 设备的形式。

图 2显示了围绕智能负载（例如微处理器）的典型系统保护方案。DC-DC 转换器——配有控制 （IC 2 ）、同步整流 MOSFET （T 3、T 4 ） 和相关的本征二极管 （D 3、D 4 ），以及输入和输出滤波电容器 （C IN ， C OUT ）—为微处理器或 PLC 供电。来自 24V 电源总线 （V BUS ） 的电压浪涌，如果直接连接到 V IN，将对 DC-DC 转换器及其负载造成灾难性后果（图 3）。出于这个原因，前端电子保护是必要的。在这里，保护是通过一个控制器（IC 1 ） 实现的，该控制器驱动两个分立的 MOSFET，T 1和 T 2。

图 2. 典型电子系统和保护

过压保护

根据 DC-DC 转换器的最大工作电压（图 2 中的 CONTROL IC 2），保护器 IC 本质上由一个 MOSFET 开关 （T 2 ） 组成，该开关在此工作范围内接近而在其之上打开。相关的本征二极管 D 2在过压的情况下被反向偏置并且不起任何作用。在这种情况下，T 1 /D 1的存在也无关紧要，T 1完全“开启”。

过流保护

即使输入电压被限制在允许的工作范围内，问题仍然存在。向上的电压波动会产生高 CdV/dt 浪涌电流，可能会烧断保险丝（图 4）、烧毁 PCB 走线或使系统过热，从而降低其可靠性。因此，保护IC必须配备限流机制。

反向电流保护

MOSFET 在漏极和源极之间的本征二极管在 MOSFET “导通”时反向偏置，而在 MOSFET 电压极性反转时正向偏置。由此可见，T 2本身不能阻挡负输入电压。这些可能会意外发生，例如，在负瞬态或断电期间，当输入电压（图 2 中的V BUS ）低或不存在时，DC-DC 转换器输入电容器（C IN）通过本征二极管 D 2。为了阻止反向电流，有必要将晶体管 T 1与其固有二极管 D 1放置在一起反对负电流。然而，结果是成本高昂的两个 MOSFET 的背靠背配置，其固有二极管反向偏置。

集成背靠背 MOSFET

如果使用分立 MOSFET（如图 2 所示），则背靠背配置的需求是显而易见的，而如果保护是单片的，即当控制电路和 MOSFET 集成在单个 IC 中时，则不太明显。许多配备反向电流保护的集成保护 IC 使用单个 MOSFET，并额外注意将器件体二极管切换到反向偏置，无论 MOSFET 极化如何。这种实施方式适用于 5V MOSFET，其源极和漏极具有对称结构。源体和漏体最大工作电压相同。在我们的例子中，高压 MOSFET 不是对称的，只有漏极被设计成能承受相对于体的高压。高压 MOSFET 的布局更为关键，具有优化 R 的 HV MOSFETDS（ON）仅在源与身体短路的情况下提供。归根结底，高压 （》 5V） 集成解决方案也必须采用背靠背配置。

在电机驱动器应用中，直流电机电流由 MOSFET 桥驱动器进行 PWM 控制。在 PWM 控制周期的关断部分，电流再循环回输入电容，有效地实现了能量回收方案。在这种情况下，不需要反向电流保护。

传统离散解决方案

图 5说明了在 PC 板面积和材料清单 （BOM） 方面，使用类似于图 2 中的分立实现的高成本（24V IN，-60V 至 +60V 保护）。PCB 面积高达 70 平方毫米。

图 5. 具有更大 PCB 面积（70mm 2 ）的传统分立式保护

综合解决方案

图 6显示了将控制和功率 MOSFET 集成在同一 IC 中的优势，该 IC 采用 3mm x 3mm TDFN-EP 封装。在这种情况下，PCB 面积占用减少到分立解决方案的大约 40% （28mm 2 ）。

图 6. 减少 PCB 面积（28mm 2 ）的集成保护

综合保护系列

MAX17608 –MAX17610系列可调节过压和过流保护器件提供了这种集成解决方案的示例。它具有一个低 210mΩ 导通电阻集成 FET 对，如图 7所示。

图 7. MAX17608/MAX17609 过压/过流保护器件框图

这些器件可保护下游电路免受高达 ±60V 的正负输入电压故障的影响。过压锁定阈值 （OVLO） 可通过可选的外部电阻器调节至 5.5V 至 60V 之间的任何电压（图 8）。它们具有高达 1A 的可编程限流保护。MAX17608和MAX17610阻止电流反向流动，而MAX17609允许电流反向流动。这些器件还具有针对内部过热的热关断保护功能。它们采用小型 12 引脚 （3mm x 3mm） TDFN-EP 封装。这些器件在 -40°C 至 +125°C 扩展温度范围内工作。

除了理想的集成特性外，该解决方案还具有 ±3% 的精确电流感应，而分立解决方案的典型电流为 ±40%。IC 还报告 SETI 引脚上的负载瞬时电流值（图 8）。这是一个很棒的功能，可以帮助系统监控每个电路板的电流消耗。

可以对器件进行编程，使其在限流条件下以三种不同的方式运行：自动重试、连续或闭锁模式。这是系统设计人员决定如何管理负载瞬态以最小化系统停机时间和服务成本的好方法。

图 8. MAX17608/MAX17609 应用框图

结论

电子负载需要保护免受断电和波动、感应负载开关和闪电的影响。我们回顾了一个典型的保护解决方案，其集成度低，不仅导致 PC 板空间效率低下和 BOM 高，而且容差大，并带来电路认证挑战。我们展示了一系列高度集成、高度灵活、低 R DS（ON）保护 IC，可提供直接和反向电压和电流保护。它们非常易于使用，并以最少的 BOM 和 PC 板空间占用提供必要的功能。使用这些 IC，您可以在系统周围设计一个严密的保护范围，以提高安全性和可靠性。