【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)上，過流保護(hù)使用的是保險(xiǎn)絲。但是，保險(xiǎn)絲體積龐大，響應(yīng)速度慢，跳閘電流公差大，需要在一次或幾次跳閘后更換。本文介紹一種外形緊湊、纖薄、響應(yīng)速度快的10 A電子保險(xiǎn)絲，它沒有上述這些無源保險(xiǎn)絲缺點(diǎn)。電子保險(xiǎn)絲可在高達(dá)48 V的DC電源軌上提供過流保護(hù)。
簡(jiǎn)介
為了盡量減少由電氣故障引起的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，使用率高的電源或全年無休的系統(tǒng)需要在供電板上增加過載和短路保護(hù)。當(dāng)電源為多個(gè)子系統(tǒng)或板（例如RF功率放大器陣列或基于背板的服務(wù)器和路由器）供電時(shí)，必須為電源提供過流保護(hù)。快速斷開發(fā)生故障的子系統(tǒng)與共享電源總線之間的連接，保證余下的子系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常運(yùn)行，無需重新啟動(dòng)或離線。
傳統(tǒng)的過流保護(hù)(OCP)是基于保險(xiǎn)絲，但它們體積龐大、響應(yīng)緩慢、公差大，并且在一次或多次跳閘后就需要更換。適用于DC電源的集成電路OCP解決方案，也被稱為電子斷路器或電子熔斷器，則克服了這些保險(xiǎn)絲缺點(diǎn)。為了節(jié)省電路板空間，并具備無源保險(xiǎn)絲的簡(jiǎn)單性，電子保險(xiǎn)絲中包含功率MOSFET開關(guān)，控制電路也集成在相同的封裝中。
帶內(nèi)部功率MOSFET的浪涌抑制器
浪涌抑制器是一種集成電路裝置，用于控制電源線路中的N通道功率MOSFET，后者置于DC電源（例如12 V、24 V或48 V）和需要抵御輸入電壓和負(fù)載電流浪涌的系統(tǒng)電子器件之間。內(nèi)置輸出電流和輸出電壓限制使浪涌抑制器能保護(hù)負(fù)載電子不受高壓輸入浪涌影響，并保護(hù)電源免于遭受下游過載和短路。可調(diào)定時(shí)器在電壓或電流浪涌限制事件期間激活，保證系統(tǒng)不斷電，連續(xù)運(yùn)行，以應(yīng)對(duì)短暫故障。
如果故障的持續(xù)時(shí)間超過定時(shí)器時(shí)間，則系統(tǒng)斷電。
LTC4381是首款帶有內(nèi)部功率MOSFET的浪涌抑制器。它可以采用高達(dá)72 V的供電電壓，但僅消耗6 μA靜態(tài)電流。內(nèi)部功率MOSFET提供100 V漏源擊穿電壓(BVDSS)和9 mΩ導(dǎo)通電阻(RDS(ON))，可以支持高達(dá)100 V的輸入浪涌和10 A應(yīng)用。LTC4381提供四個(gè)選項(xiàng)，可以選擇故障重啟行為和固定或可調(diào)的輸出鉗位電壓。
圖1.48 V、10 A電子保險(xiǎn)絲和LTC4381
LTC4381的浪涌抑制器功能易于擴(kuò)展，可以作為電子保險(xiǎn)絲使用。圖1顯示48 V、10 A電子保險(xiǎn)絲應(yīng)用中的LTC4381-4，該應(yīng)用保護(hù)電源不受輸出端的過載或短路影響。正常運(yùn)行期間，輸出VOUT通過內(nèi)部功率MOSFET和外部檢測(cè)電阻RSNS連接到電源輸入VIN。在輸出過載或短路期間，當(dāng)RSNS壓降超過50 mV電流限值閾值時(shí)，TMR引腳電容電壓開始從0 V上升，內(nèi)部MOSFET在TMR電壓達(dá)到1.215 V時(shí)關(guān)閉（稍后詳細(xì)介紹）。4 mΩ RSNS將典型過流閾值設(shè)置為12.5 A (50 mV/4 mΩ)，最小閾值設(shè)置為11.25 A (45 mV/4 mΩ)，為10 A負(fù)載電流提供足夠余量。
圖2.LTC4381 10 A保險(xiǎn)絲電路采用(a) 48 V（左）和(b) 60 V（右）電源啟動(dòng)220 μF負(fù)載電容
由于返回電路的電路或電纜的寄生電感，當(dāng)內(nèi)部MOSFET開關(guān)在電流流動(dòng)期間關(guān)閉時(shí)，輸入電壓會(huì)急漲至標(biāo)稱工作電壓以上。齊納D1保護(hù)LTC4381 VCC引腳的80 V絕對(duì)最大額定值，而D2保護(hù)內(nèi)部100 V MOSFET不受雪崩影響。D1也將輸出鉗位電壓設(shè)置到66.5 V (56 V + 10.5 V)，以防不使用D2。R1和C1過濾VIN升高和下降。如果有電容接近LTC4381限制電壓尖峰，低于80 V，則VCC引腳可以直接連接至VIN。在這種情況下，可以取消使用D1、D2、R1和C1。
正常運(yùn)行期間，有10 A流過內(nèi)部MOSFET時(shí)，LTC4381的初始?jí)航禐?0 mV，功耗為900 mW。但是，在室溫環(huán)境下，這種功耗會(huì)使DC2713A-D評(píng)估板上的LTC4381封裝的溫度升高到約100°C，達(dá)到RDS(ON)的兩倍，且使壓降升高到180 mV。4 mΩ檢測(cè)電阻在10 A時(shí)再度下降40 mV。可能需要消耗更多的銅，特別是在SNS節(jié)點(diǎn)，以降低LTC4381的升溫。DC2713A-D SNS節(jié)點(diǎn)使用2.5 cm2 2盎司銅，這些銅均勻分布在板的兩個(gè)外層上，上述信息作為參考。
圖3.LTC4381 MOSFET的安全工作區(qū)域。
啟動(dòng)行為
當(dāng)ON引腳不與地相接后，圖1中的電路啟動(dòng)一個(gè)220 μF負(fù)載電容，如圖2所示，適用于48 V和60 V電源。假設(shè)60 V為48 V電源工作范圍的上限。假設(shè)啟動(dòng)期間沒有額外的負(fù)載電流的情況下，220 μF是這個(gè)10 A電流能夠安全充電的最大負(fù)載電容。當(dāng)220 μF電容按照12.5 A電流限值充電至60 V時(shí)，涌入時(shí)間為220 μF × 60 V/12.5 A = 1.06 ms。LTC4381 MOSFET的安全工作區(qū)域(SOA)圖，如圖3所示，顯示在12.5 A和30 V下它可以正常運(yùn)行1 ms。之所以使用30 V，是因?yàn)樗瞧骄斎?輸出差分電壓，開始時(shí)為60 V，之后降至0 V。
由于沒有GATE引腳電容來減緩其斜坡速率，在得到控制之前，輸出在2毫秒內(nèi)充電，涌入電流達(dá)到17 A峰值，超過電流限值閾值（參見圖2）。LTC4381具有50 mV電流限值檢測(cè)閾值，或者當(dāng)OUT引腳的電壓>3 V，采用4 mΩ檢測(cè)電阻時(shí)為12.5 A，但當(dāng)OUT引腳的電壓<1.5 V（如圖4所示）時(shí)，它會(huì)升高到62 mV或15.5 A。該圖還表明，在啟動(dòng)過程中，如果檢測(cè)電阻中的電子負(fù)載電流降低超過20 mV（4 mΩ時(shí)5 A），輸出會(huì)保持在2 V（且TMR超時(shí)）。
圖2中的波形顯示，因?yàn)槿鄙俦３汁h(huán)路穩(wěn)定所需的47 nF柵極電容，所以反而會(huì)對(duì)涌入電流脈沖實(shí)施調(diào)節(jié)。事實(shí)上，在60 V涌入期間，電流會(huì)斷開約0.5 ms。LTC4381 TMR上拉電流與內(nèi)部MOSFET的功耗成正比。因此，即使電流低于電流限值閾值，在啟動(dòng)涌入期間，TMR也會(huì)升高。我們故意去掉柵極電容，以使用小型TMR電容，使220 μF負(fù)載電容仍能成功啟動(dòng)。在短路故障期間，小型TMR電容會(huì)保護(hù)MOSFET，這一點(diǎn)我們將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。
最小的TMR電容為68 nF，在60 V啟動(dòng)期間保持TMR電壓上升到0.7 V左右。例如，選擇47 nF的TMR電容，允許TMR在60 V啟動(dòng)期間達(dá)到1.15 V，這非常接近1.215 V柵極關(guān)斷閾值。選擇0.7 V峰值TMR目標(biāo)電壓，以從1.215 V柵極關(guān)斷閾值提供足夠余量，同時(shí)采用以下這些公差：TMR上拉電流±50%（LTC4381數(shù)據(jù)手冊(cè)中的ITMR(UP)規(guī)格），TMR電容±10%，1.215 V TMR柵極關(guān)斷閾值±3%（VTMR(F)規(guī)格）。
圖4.LTC4381電流限值與輸出電壓
表1列出了推薦最大負(fù)載電容使用的TMR電容，以在60 V啟動(dòng)期間將TMR電壓升高限制在0.7 V左右。
表1.推薦用于CLOAD(MAX)的CTMR。
輸出短路行為
圖1中的電路主要用于保護(hù)上游電源，無論是在啟動(dòng)或正常運(yùn)行期間，保護(hù)電源不受過載和短路等下游故障影響。圖5顯示在輸出端存在短路時(shí)，LTC4381啟動(dòng)其MOSFET。柵極電壓（藍(lán)色曲線）升高。超過3 V閾值電壓時(shí)，MOSFET開啟，電流（綠色曲線）開始流動(dòng)。由于輸出短路，且沒有柵極電容，MOSFET電路迅速升高，超過0 V輸出時(shí)的15.5 A電流限值閾值，并在LTC4381做出反應(yīng)，下拉MOSFET柵極和關(guān)斷電流流動(dòng)之前達(dá)到21 A峰值。電流超出15.5 A的時(shí)間持續(xù)不到50 μs。由于MOSFET中短暫的功耗，TMR電壓（紅色曲線）升高約200 mV。由于TMR遠(yuǎn)低于1.215 V柵極關(guān)斷閾值，柵極再次打開，導(dǎo)致出現(xiàn)另一個(gè)電流尖峰。在每一個(gè)電流尖峰位置，TMR電壓升高至接近1.215 V。
圖5.啟動(dòng)48 V電源的LTC4381進(jìn)入輸出短路
在經(jīng)歷幾次這樣的電流尖峰后，TMR電壓達(dá)到1.215 V柵極關(guān)斷閾值，MOSFET保持關(guān)閉。TMR現(xiàn)在進(jìn)入冷卻周期，LTC4381-4不允許MOSFET再次開啟，直到冷卻周期完成。根據(jù)LTC4381數(shù)據(jù)手冊(cè)中的公式8，68 nF TMR電容的冷卻周期時(shí)長(zhǎng)為33.3 × 0.068 = 2.3 s。由于LTC4381-4自動(dòng)重試，這樣的電流尖峰和冷卻周期模式將無限次重復(fù)，直到輸出短路被清除。在正常操作期間（即，輸出已啟動(dòng)）如果發(fā)生輸出短路，該模式將重復(fù)出現(xiàn)。注意，除非添加4 μH輸入電軌電感，否則LTspice?模擬不會(huì)顯示如圖5所示的行為。
結(jié)論
LTC4381的內(nèi)部功率MOSFET為48 V、10 A系統(tǒng)的電子保險(xiǎn)絲或斷路器提供緊湊電路。如此，在設(shè)計(jì)階段無需花費(fèi)時(shí)間選擇功率MOSFET。LTC4381 MOSFET的SOA經(jīng)過生產(chǎn)測(cè)試，每個(gè)器件都可以保證質(zhì)量，分立式MOSFET不提供這種保證。這有助于構(gòu)建一個(gè)可靠的解決方案，以保護(hù)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中價(jià)格昂貴的電子裝置。
由于沒有使用穩(wěn)定環(huán)路的柵極電容，本文所談?wù)摰?0 A電路會(huì)有一些特有的行為，應(yīng)該加以注意。具體來說，就是在短路期間，不會(huì)出現(xiàn)受傳統(tǒng)dV/dt控制的涌入電流和脈沖電流。然而，這些都是短暫的瞬間事件，持續(xù)時(shí)間不到幾毫秒。輸入旁路電容可以幫助防止對(duì)48 V電源產(chǎn)生任何干擾，特別是與其他電路板共享該電源時(shí)，例如背板。在后一種情況下，相鄰電路板的負(fù)載電容也起到與輸入旁路電容相同的作用。
作者簡(jiǎn)介
Pinkesh Sachdev是ADI公司云電源團(tuán)隊(duì)的高級(jí)應(yīng)用工程師。他擁有印度理工學(xué)院（印度孟買）電氣工程學(xué)士學(xué)位以及斯坦福大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：pinkesh.sachdev@analog.com。
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