摘要 

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),?？焖贁嚅_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。 

48 V,、10 A電子保險(xiǎn)絲電路

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電流限值檢測閾值,，或者當(dāng)OUT引腳的電壓>3 V，采用4 mΩ檢測電阻時(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,。