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ADI浪涌抑制器 为产品的可靠运行保驾护航

2021-12-22 Excelpoint 阅读:
汽车、工业和航空电子设备所处的供电环境非常复杂,在这种恶劣的供电环境中运行,需要具备对抗各种浪涌伤害的能力。以汽车电子系统供电应用为例,该系统不但需要满足高可靠性要求,还需要应对相对不太稳定的电池电压,具有一定挑战性;与车辆电池连接的电子和机械系统的差异性,也可能导致标称12 V电源出现大幅电压偏移。

一、复杂的电子环境

汽车、工业和航空电子设备所处的供电环境非常复杂,在这种恶劣的供电环境中运行,需要具备对抗各种浪涌伤害的能力。以汽车电子系统供电应用为例,该系统不但需要满足高可靠性要求,还需要应对相对不太稳定的电池电压,具有一定挑战性;与车辆电池连接的电子和机械系统的差异性,也可能导致标称12 V电源出现大幅电压偏移。BWGednc

事实上,在一定时间段内,12 V电源的变化范围为–14 V至+35 V,且可能出现+150 V至–220 V的电压峰值。这种很高的瞬态电压在汽车和工业系统是常见的,可以持久从微秒到几百毫秒,这将带来巨大的能量。这其中有些浪涌和瞬变在日常使用中出现,其他则是因为故障或人为错误导致。BWGednc

无论起因为何,它们对汽车电子系统造成的损害难以诊断,修复成本也很高昂。为避免出现故障风险,系统内的电子器件,要么本身必须具备承受这些浪涌的能力,要么就必须被谨慎得保护起来。BWGednc

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图1 工业现场常见的浪涌形式BWGednc

二、传统的应对方式

传统的过电压(OV)和过流(OC)保护系统往往包括:用于过滤低能量尖峰的电容器和电感、用于过电压保护的瞬态电压抑制器(TVS)、用于直流过流保护的保险丝、用于电池反向保护的系列二极管等。BWGednc

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图2 传统保护架构BWGednc

尽管这些器件也在不断改进,但这些分立的解决方案体积庞大、不够精密,并且在持续故障期间会烧断保险丝,可能引起以下这些更大范围的停机和故障:BWGednc

(1)吸收同样的能量,分立器件需要更大的体积。BWGednc

(2)参数离散,例如同样是SMB封装的78V TVS,其齐纳击穿电压的范围可达1V。BWGednc

(3)持续或直流的瞬变,可能会烧断保险丝或TVS,需要人工维修。BWGednc

(4)用于反向保护而串联在功率通路上的二极管,会增加损耗并且带来热的问题。BWGednc

三、ADI的革新技术——SURGE STOPPER

技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Alex Yang介绍了ADI的革新技术——SURGE STOPPER,SURGE STOPPER能够实现怎样的功能呢?BWGednc

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图3 浪涌抑制器在汽车中的应用BWGednc

其功能的核心,就是能够保护负载端的电子系统免受高压冲击。并且在电涌施加在系统前端时,能够确保系统不间断运行。当系统的前端供电出现持续的或是直流故障时,能够断开负载连接,直至前端供电重新正常,保护系统自动恢复供电。另一方面,假如后级出现故障,例如过载和短路,那么SURGE STOPPER也同样可以保护前端供电不会被故障的负载所拖垮,可以干净利落地切断故障通道直至其恢复正常。BWGednc

在实现核心功能的基础上,SURGE STOPPER在设计中考虑了很多细节。例如,工程师可以对嵌位电压进行高精度的微调,而不需要被动地去TVS选型表中选出最接近自己需求的器件。这样既便于工程师设计的更改和迭代,也可以最大限度地减少过度设计,降低成本。BWGednc

根据市场需求,ADI革新性地针对浪涌问题研发了三类产品,包括:线性浪涌抑制器,开关浪涌抑制器,以及防护控制器。除此之外,ADI仍在不断尝试用新的思路解决浪涌问题。BWGednc

线性浪涌抑制器

在正常运行期间,一个线性浪涌抑制器完全打开MOSFET的沟道,为负载电流提供一个低电阻路径。BWGednc

当输入电源电压出现波动时,输出电压会被线性地调节到一个由电阻分压器设置的安全电压,从而实现保护后级负载电路的目的。BWGednc

在保护状态下,后级电路会保持工作状态。BWGednc

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图4 线性浪涌抑制器BWGednc

开关浪涌抑制器

在正常运行期间,开关浪涌抑制器完全打开外部MOSFET,让功率顺利通过保护级,从而为后级负载供电。BWGednc

当输入电压浪涌发生时,立刻切换工作模式,将外部MOSFET作为一个高效率的BUCK稳压器的一部分,通过限制输出电压和电流来保护关键的下游组件。BWGednc

在保护状态下,后级电路会保持工作状态。BWGednc

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图5 开关浪涌抑制器BWGednc

保护控制器

保护控制器在供电电压出现异常时立即断开连接,从而达到保护后级电路的目的。BWGednc

在保护状态下,后级电路会停止工作。BWGednc

以LTC4368为例,它可以实现过压(OV)、欠压(UV)、过流(OC)、反向输入(RI)四种保护,基本覆盖了应用现场会出现的各种工况,为后级电路提供了完善的保护解决方案。BWGednc

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图6 LTC4368框图BWGednc

四、产品举例

Alex分享了ADI的一款线性浪涌抑制器LT4363。BWGednc

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图7 LT4363的电路架构BWGednc

LT4363简介

它能通过控制一个外部N沟道MOSFET的栅极,以在过压过程中(比如:汽车应用中的负载突降情况)调节输出电压。输出被限制在一个安全的数值上,从而允许负载持续运作。BWGednc

LT4363还监视SNS和OUT引脚之间的压降,以防止遭受过流故障的影响。BWGednc

不管在哪种故障条件下,定时器的起动均与 MOSFET 应力成反比。在定时器终止操作之前,FLT 引脚将被拉至低电平,以发出“即将断电”的警告。如果该条件一直持续,则 MOSFET 将关断。在复位之前,LT4363-1 保持关断,而LT4363-2则在一个冷却周期之后重新起动。BWGednc

两个高精度比较器能监视输入电源的过压(OV)和欠压(UV)情况。当电压低于UV门限时,外部MOSFET保持关断状态。假如输入电源电压高于OV门限,则不允许MOSFET重新接通。可以采用背对背MOSFET来代替肖特基二极管以提供反向输入保护,从而减少压降和功率损失。一个停机引脚负责将停机期间的静态电流减小至7μA以下。BWGednc

设计要点

过压故障BWGednc

在过压情况发生时,LT4363会通过控制MOSFET栅极电压,使得MOSFET工作在可 变电阻区,以保证输出电压采样引脚FB上的电压维持在1.275V。从而达到,将电压嵌位在我们所设定的电压上的目的。同时,如果过电压现象持续存在,则定时器会控制MOSFET关闭。BWGednc

过流故障BWGednc

当出现短路或过流情况,LT4363会控制GATE引脚,以限制SNS和OUT引脚之间电流检测电压为50 mV。在输出严重短路的情况下(一般指输出电压低于2V),电流检测门限会由原来的50 mV降低至25mV,以降低MOSFET上的功率应力。如果故障仍然持续,则定时器会控制MOSFET关闭。BWGednc

MOSFET的选型BWGednc

LT4363通过驱动一个N沟道MOSFET来导电负载电流。MOSFET的重要参数是导通电阻RDS(ON),漏源极电压的最大值V(BR)DSS、栅极阈值电压V(BR)GS以及SOA。BWGednc

VBRDSS漏源极电压的最大值:BWGednc

V(BR)DSS漏源极电压的最大值必须高于最高电源电压。如果在出现输出短路接地或在过压事件期间,MOSFET的源漏极会承受全部供电电压。BWGednc

VBRGS栅极驱动电压:BWGednc

对于VCC供电在9V以上的应用,通用型的所需的栅极驱动电压范围在10V和16V之间;对于VCC供电在9V以下的应用,N沟道MOSFET的栅极驱动电压,不能低于4.5V。BWGednc

MOSFETSOABWGednc

SOA(Safe Operation Area)是所有MOSFET中的一个参数,以图标形式体现在规格书中。其中体现出相关联的三个参数的关系:Vds、Id,以及时间T。以典型应用的中的N-MOSFET:FDB33N25为例:BWGednc

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图8 场效应管FDB33N25 的SOA曲线BWGednc

在选择MOSFET的SOA时,必须考虑所有故障条件下的情况;BWGednc

在正常工作中,沟道是完全开着的,所以损耗在MOSFET上的功率非常小;BWGednc

在出现过压或是过流故障时,GATE引脚就会开始控制MOSFET上DS两端所承受的电压或是流过MOSFET的电流。此时高电压和大电流会同时存在于MOSFET当中,因此必须谨慎地依照SOA数据来确定故障定时器的设置。BWGednc

五、结语

LT4363只是ADI众多浪涌抑制控制器系列中的一款,在汽车、工业等复杂供电环境中,世健提供的ADI浪涌抑制器能够帮助产品抵御恶劣的供电环境,让产品具备对抗各种浪涌伤害的能力,为产品的可靠运行保驾护航。BWGednc

关于世健——亚太区领先的元器件授权代理商BWGednc

世健是完整解决方案的供应商,为亚洲电子厂商包括原设备生产商(OEM)、原设计生产商(ODM)和电子制造服务提供商(EMS)提供优质的元器件、工程设计及供应链管理服务。      世健与供应商及电子厂商紧密协作,为新的科技与趋势作出定位,并帮助客户把这些最先进的科技揉合于他们的产品当中。集团分别在新加坡、中国及越南设有研发中心,专业的研发团队不断创造新的解决方案,帮助客户提高成本效益并缩短产品上市时间。世健研发的完整解决方案及参考设计可应用于工业、无线通信及消费电子等领域。     世健是新加坡的主板上市公司,总部设于新加坡,拥有约650名员工,业务范围已扩展至亚太区40多个城市和地区,遍及新加坡、马来西亚、泰国、越南、中国、印度、印度尼西亚、菲律宾及澳大利亚等十多个国家。世健集团在2020年的年营业额超过11亿美元。1993年,世健在香港设立区域总部——世健系统(香港)有限公司,正式开始发展中国业务。目前,世健在中国拥有十多家分公司和办事处,遍及中国主要大中型城市。凭借专业的研发团队、顶尖的现场应用支持以及丰富的市场经验,世健在中国业内享有领先地位。BWGednc

责编:DemiBWGednc

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