| 引言
在過大的電壓或電流被加至集成電路所產生的電過應力 (EOS) 是誘發 IC 故障的主要起因之一，而且還會導致所謂 “帶傷運行” 產品的出現，此類產品雖能繼續工作，但構成了一種可靠性危險，并有可能引起過早的系統故障。
EOS 事件會引起局部發熱效應并造成芯片級敷金屬或結點受損，但一開始或許并不存在明顯的缺陷。隨著時間的推移以及溫度和電壓偏置的加速作用，此類損壞將改變性能特征，并有可能造成電遷移、熱點和熱失控，從而導致全面的 IC 故障。
長久以來人們就認識到了這類風險，因此負責保證設備安全性、可靠性和性能的機構及標準化組織已經制定了多種規范，以針對各種潛在的壓力過大問題保護電子電路。
這類風險之一與上游電源干擾有關，本文中我們集中探討美國國防部接口標準 MIL-STD-1275，該標準與 28V DC 軍用車輛電源有關，還有其他一些類似的國家級規范，例如英國的 DEFSTAN 61-5 Part 6。飛機有自己的標準，例如，DO-160 面向民用飛機，MIL-STD-704 面向軍用飛機。雖然特定的脈沖特性發生了變化，但它們在概念上都是非常相似的，因此適用于同樣的原理。
盡管芯片內置的 ESD 保護功能可以在某種程度上針對電源干擾引起的 EOS 事件提供保護，但是這類事件也許根本就不是異常情況，而是系統典型工作的一部分，這也許表示，會有反反復復超出 IC 最大絕對額定值的事件發生。
針對電壓浪涌、尖峰和紋波提供保護
電壓尖峰的特點是持續數十微妙及高達幾百伏的電壓，由雷擊或負載階躍的感應耦合產生。目前應用的解決方案是有效的，這種解決方案通常采用瞬態電壓抑制器，輔以所需的 EMI 濾波電路和電源電纜電感。
電壓浪涌一般高達 100V，持續數十或數百毫秒，由拋載引起。當負載電路或電池斷接導致交流發電機兩端的電壓在短時間內快速上升，并因此導致使用同一電源的其他負載遇到同一電壓浪涌。正如我們稍后會看到的那樣，這可能是一個富挑戰性及難以解決的問題。
疊加在輸入電源之穩態電壓軌上的電壓紋波會造成進一步的設計挑戰。適度振幅的紋波可由輸入電容器濾波至保護電路，但是在較大紋波和較大電流情況下，通過保護電路將紋波傳送到下游穩壓級的做法會更實用且效率更高。
過壓保護電路
傳統的無源過壓保護電路 (圖 1) 需要相對較大和笨重的組件，這樣的組件引入插入損耗，可能因功率需求增加而成為一個問題。將很大的能量分流到地這種做法不能確保向下游供電，且可能由于重復操作而導致無源組件損壞。
圖 1：無源過壓保護電路
一種較好的解決方案是采用線性浪涌抑制器 IC，這可提供更佳性能、過流保護和更多功能，同時減少了所需電路板面積。一個例子是 LT4363 高壓浪涌抑制器 (圖 2)。我們之所以稱這款 IC 是一種線性浪涌抑制器，是因為其操作與線性穩壓器類似。
圖 2：具電流限制的 LT4363 浪涌抑制器
在正常操作情況下，一個外部 N 溝道 MOSFET 被驅動至全通，并充當一個具非常小電壓降的傳輸器件。如果輸出電壓上升至高于由 FB 引腳上的電阻分壓器設定的穩壓值，MOSFET 就調節 OUT 引腳上的電壓，從而使負載電路能夠在瞬態事件發生期間繼續運行。
SNS 和 OUT 引腳之間的可選電阻器用來控制過流事件，電流限制環路控制 MOSFET 上的柵極電壓，以將電阻器兩端的檢測電壓限制到 50mV。
無論過壓還是過流事件都會啟動一個電流源給連至 TMR 引腳的電容器充電。充電電流與輸入至輸出電壓差有關，以使定時器周期隨著日益嚴重的故障而縮短，從而確保 MOSFET 保持在其安全工作區之內。
開關浪涌抑制器
線性浪涌抑制器為需要高達約 4A 電流的系統提供了一種非常出色的解決方案，當超出這個電流范圍時，該電路有效穿越長時間浪涌的能力會受到 MOSFET 安全工作區的限制。對于較大的電流，通過采用專用的開關穩壓器技術如今可提供一種更有效的解決方案，在該技術中，限制主要變成了系統熱質量和相關的最大結溫考慮因素之一。
 
圖 3：LTC7860 高效率開關浪涌抑制器
LTC7860 專為用作一款高效率開關浪涌抑制器和 / 或輸入浪涌電流限制器而設計。在正常操作期間，LTC7860 處于壓差或 SWITCH-ON 模式，并持續驅動外部 MOSFET，從而將輸入電壓傳遞至輸出。
LTC7860 在啟動或響應輸入過壓或輸出短路事件時切換進入 PROTECTIVE PWM (保護性PWM) 模式，輸出電壓調節至安全值，從而使負載能夠在發生輸入過壓事件時繼續正常運作。外部比較器限制電流檢測電阻器兩端的電壓，調節最大輸出電流，以針對過流故障提供保護。
可調定時器限制 LTC7860 可用于過壓或過流調節的時間。當定時器到期時，外部 MOSFET 斷開，直到 LTC7860 經過冷卻期后重啟為止。通過在功率損耗很高時嚴格限制處于 PROTECTIVE PWM 模式的時間，可以針對正常工作情況優化組件和熱量設計，使組件和設計方案能夠在發生高壓輸入浪涌和 / 或過流故障時安全地工作。還可以增加一個 PMOS 以提供電池反向保護。
通過給 LTC7860 的電源偏置增加一個簡單的并聯穩壓器，就可以將 60V 最大 VIN 至 SGND 范圍擴大到超過 200V。
效率比較
就上述 LT4363 這類線性浪涌抑制器和 LTC7860 開關浪涌抑制器而言，一旦開始調節，功率損耗就會顯著上升。在線性浪涌抑制器中，功率損耗是起調節作用的 MOSFET 之功耗。而在高效率浪涌抑制器或開關浪涌抑制器中，內部功率損耗由轉換效率決定。
線性浪涌抑制器功率損耗 = VOUT * IOUT * (VIN/VOUT -1)
開關浪涌抑制器功率損耗 = VOUT * IOUT * (1/ 效率 - 1)
瞬時功率損耗例子：
線性 = 30V * 4A * (40V / 30V -1) = 40.0W
開關 = 30V * 4A * (1/92% -1) = 10.4W
由于功率損耗降低，因此與同級別的線性解決方案相比，開關浪涌抑制器將允許更高的輸出電流和功率級別。在開關浪涌抑制器中，內部浪涌功率損耗會比正常功率損耗增加 10 倍之多。如果停留在 PWM 模式調節中的時間受限，則運行功率會超越穩態操作中所能實現的水平。
浪涌抑制器保護的結果是，下游組件可具有較低的額定電壓，但在高 VIN 降壓型穩壓器可用時，那為什么不使用其中一款而免除保護電路呢? 雖然這或許很吸引人，但是此類降壓型穩壓器電路將需要針對最壞情況而確定的組件，并將必需采取顯著增多的散熱措施。另外，這也許還會把上游電源置于容易遭受輸出短路故障損壞的境地。
MIL-STD-1275 要求和性能
在軍用車輛應用中，LTC7860 保護采用 28V 車輛電源總線工作的設備，并用評估電路板進行了測試。
MIL-STD-1275 版本 E 定義了各種電源變化情況，從穩態工作到啟動干擾、尖峰、浪涌和紋波，并針對每一種情況規定了要求，表 1 概述了這些情況。
表 1：MIL-STD-1275E 要求和 LTC7860 性能
|
MIL-STD-1275E
|
要求
|
LTC7860 性能 / 觀測數據
|
|
工作電壓
|
20V < VIN < 33V (包括紋波)
|
3.5V > VIN > 60V
|
|
電壓紋波
|
MIL-STD-461-F CS101-1
50Hz 至 5kHz，136dBuV，(6.31Vrms)
150kHz，106.5dBuV，(211mVrms)
擴展至 250kHz
|
布設針對紋波的輸入濾波器是不切實際的，在理想的情況下，把紋波傳遞至下游降壓型穩壓器，而該穩壓器的電感器起一個濾波器的作用。
|
|
起動干擾
|
12V、1s 的初始接合浪涌
16V、30s 的發動浪涌
|
可在低至 6V (最小值) 的電壓下運作，不會出現性能下降或受損。
|
|
注入的電壓尖峰
|
250V (持續 70µs) 和 100V (持續 1ms)
最大上升時間為 50ns
最大能量含量為 2 焦耳
|
一般來說 EMI 濾波器和電源電纜電感可消除窄尖峰。保護電路在有源組件上將需要 250V+ 的額定電壓值。
|
|
注入的電壓浪涌
|
100V (持續 50ms) 和 33V (持續 500ms)
上升時間 1 至 10ms，5 個脈沖
最大能量含量為 60 焦耳
|
正常運作，并沒有性能劣化或受損情況出現，選擇具有高峰值脈沖電流的 MOSFET 以滿足大輸出負載的要求。
|
凌力爾特之前開發的演示電路 DC2150A-C 也提供線性浪涌抑制器解決方案，該解決方案滿足之前的 MIL-STD-1275 修訂版 D 規范的要求。
結論
專用浪涌抑制器 IC 為無源保護電路提供了卓越的性能，有助于滿足未來系統減小尺寸、重量和功率的要求。
線性模式浪涌抑制器提供了具備低插入損耗的出色解決方案，適合輸出電流高達 4A 左右的系統。開關浪涌抑制器將輸出電流能力擴展到 4A 以上，同時解決方案尺寸很小，效率很高。 |
