无需隔离二极管就可保护敏感电路的解决方案

作者：Victor Fleury

高级设计工程师

凌力尔特公司

如果将24V电源连到12V电路上，会出现什么情况? 如果电源线和地线不小心接反了，能不损坏电路吗? 您的应用是否处于一种严酷的环境，其中输入电源可能振荡到非常高的电压或低于地电位? 即使这些事件不太可能发生，但是只要出现一次，就能损坏电路板了。

可以采取哪些方法来保护敏感电路免受过高、过低甚至负电压的影响? 为了隔离负的电源电压，系统设计师传统上给电源串联一个功率二极管。不过，这个二极管占用了宝贵的电路板空间，并在负载电流很大时，浪费大量功率。

另一种常见的解决方案是给电源串联一个高压P沟道MOSFET。P沟道MOSFET比串联二极管所浪费的功率少，但是MOSFET和驱动MOSFET所需电路使成本提高了。

这两种解决方案的缺点是，它们都牺牲了以低电源电压工作的机会，尤其是串联二极管。另外，两种解决方案都不能防止受到过高电压的影响，这种保护需要更多电路，包括高压窗口比较器和充电泵。

欠压、过压和电源反向连接保护

LTC4365是一种独特的解决方案，简要和可靠地保护敏感电路免受不可预测的高或负电源电压所影响。LTC4365隔离高达60V的正电压和低至-40V的负电压。只有处于安全工作电源电压范围内的电压才能传递给负载。惟一需要的外部有源组件是一个双N沟道MOSFET，连接在不可预测的电源和敏感负载之间。

图1显示了一个完整的应用。电阻分压器设定过压(OV)和欠压(UV)跳变点，以连接或断开负载与VIN的连接。如果输入电源电压变化到这个电压窗口之外，那么LTC4365就快速断开负载与电源的连接。

图1：汽车应用中，完整的12V欠压、过压和电源反向连接保护电路。

双N沟道MOSFET在VIN处隔离正和负电压。在正常工作时，LTC4365为外部MOSFET的栅极提供8.4V增强电压。LTC4365的有效工作范围为2.5V至34V，过压-欠压窗口可以处于这个范围内的任何地方。就大多数应用而言，在VIN处无需保护性箝位，这进一步简化了电路板设计。

准确和快速的过压和欠压保护

LTC4365中两个准确(±1.5%)的比较器监视VIN处的过压(OV)和欠压(UV)情况。如果输入电源分别升高至高于OV或降低至低于UV门限，那么外部MOSFET的栅极就被快速关断。外部电阻分压器允许用户选择适合VOUT处负载的输入电源范围。此外，UV和OV输入的漏电流非常低(在100°C时，典型值<1nA)，从而允许外部电阻分压器中的高值电阻。

图2显示当VIN从-30V缓慢上升至30V时图1电路的反应。UV和OV门限分别设定为3.5V和 18V。当电源电压位于3.5V至18V的窗口内时，VOUT跟踪VIN。在这个窗口之外，LTC4365关断N沟道MOSFET，即使VIN为负，也断开VOUT与VIN的连接。

图2：VIN从-30V上升到30V时的负载保护。

{pagination}

新颖的电源反向连接保护方法

LTC4365采用了一种新颖的负电源电压保护电路。当 LTC4365在VIN处检测到负电压时，它会快速连接GATE引脚和VIN。在 GATE引脚和VIN之间没有二极管压降。当外部N沟道 MOSFET的栅极电压为最大负电压(VIN)时，从VOUT到VIN负电压的泄漏最小。

图3显示了当VIN被带电接入-20V电压时，会发生什么情况。VIN、VOUT和GATE在连接建立瞬间从地电位开始变化。由于VIN和GATE连接的寄生电感，VIN电压和GATE引脚在低于-20V 的电压上明显地振荡。外部MOSFET必须具有能承受这种过冲而不被损坏的击穿电压。

图3：VIN带电接入-20V。

在负电压瞬态时，GATE 引脚跟随 VIN 的密切程度决定了 LTC4365 反向连接保护电路的速度。在图中所用比例情况下，两种波形几乎无法区分。注意，无需额外的外部电路来提供反向连接保护。

AC隔离

LTC4365有一个恢复延迟定时器，可滤除VIN噪声，并有助于防止VOUT颤动。在OV或UV故障发生之后(或当VIN变为负电压时)，输入电源电压必须至少在36ms之内返回所希望的工作电压窗口，以重新接通外部MOSFET。若在不到36ms时间内脱离并重新返回故障状态，那么MOSFET保持断开状态。

图4显示，LTC4365隔离40V至-40V的AC线电压。在负电压部分，GATE引脚跟随VIN，但当 VIN变为正电压时，GATE引脚仍然保持在地电位。注意，VOUT一直不受影响。

图4：36ms恢复定时器隔离28V、60Hz AC线电压。

在故障情况下的高压瞬态

图5显示一个测试电路，该电路在过压情况下产生瞬态。标称输入电源为24V，过压门限为 30V。图6显示VIN在过压情况下的波形。这些瞬态视VIN和GATE引脚上寄生电感的不同而不同。即使在实验中，可选电源箝位(D1)未使用，电路仍然能承受这些瞬态而不被损坏。

图5：在VIN电感很大时发生OV故障。

图6：未使用TransZorb (TVS)时，发生OV故障时的瞬态。

{pagination}

在两个电源之间做出选择

该器件停机时，VIN和VOUT引脚可以由两个不同的电源以不同的电压驱动。LTC4365自动驱动GATE引脚至低于两个电源之中较低的电压，从而防止电流从任一方向流过外部 MOSFET。图7所示应用使用两个LTC4365，以在两个电源之间做出选择。应该小心地确保在任意给定时间内两个LTC4365中只有一个被启动。

图7：在两个电源之中选择一个。

在VOUT已加电时，VIN带电反向接入

甚至在VOUT由单独的电源驱动时，LTC4365也可防止受到负VIN连接的影响。图8显示，当 LTC4365处于停机模式，VOUT加电至20V，VIN带电接入-20V电压时的波形。只要不超过外部MOSFET的击穿电压(60V)，那么VOUT端的20V电源电压就不受VIN端反向极性连接的影响。

图 8：VOUT 加电时 VIN 热插拔 (Hot SwapTM) 至负电源的波形。

本文小结

LTC4365控制器保护敏感电路免受过压、欠压和电源反向连接的影响。只要合乎用户可调的 UV和OV跳变门限，那么电源电压就被传递给输出。在这个窗口之外的任何电压都被隔离，窗口电压最高为60V，最低为-40V。

LTC4365采用纤巧的8引脚3mmx2mm DFN和TSOT-23封装，由于LTC4365采用了新颖的架构，所以可提供坚固和小尺寸的解决方案，而且所需的外部组件最少。LTC4365无需给电源串联反向电压隔离二极管，用背靠背的外部MOSFET就可自动执行这一功能。LTC4365提供2.5V至34V的宽工作电压范围，在停机时仅消耗10μA电流。

本文来自《电子工程专辑》2012年9月刊，版权所有，谢绝转载。