汽車和工業(yè)應(yīng)用中的電源系統(tǒng)必須處理短時間的高電壓浪涌、保持負載上的電壓調(diào)節(jié)、同時避免敏感電路遭受危險瞬變的損壞。常用的保護方案需要使用一個串聯(lián)的鐵芯電感器和高值電解旁路電容器，并輔之以一個高功率瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 和熔絲。這種笨拙的方法需要占用大量的電路板面積資源 — 龐大的電感器和電容器常常是系統(tǒng)中最高的組件。即使采用了此類保護方案也不能提供針對反向輸入電壓或電源欠壓 (這些都是汽車環(huán)境中有可能遭遇的情形) 的防護作用。出于避免遭受這些事件的損壞及保持輸出電壓的考慮，設(shè)計人員增設(shè)了一個隔離二極管，但這個二極管中的額外電壓降會導致功率損失的增加。
LTC4364 是一款用于負載保護和輸出保持的完整控制解決方案，其占板面積小巧，并免除了龐大笨重的組件和不希望有的電壓降。圖 1 示出了 LTC4364 的功能方框圖。該器件可驅(qū)動兩個背對背 N 溝道傳輸晶體管：其一 (圖 1 中的 M1) 負責提供電壓浪涌保護并保持向輸出提供一個穩(wěn)定的電壓，而另一個 (圖 1 中的 M2) 則充當用于提供反向輸入保護和輸出保持的理想二極管。
另外，LTC4364 還可提供針對過載和短路的保護、承受輸出電壓反向、在輸入欠壓情況下保持 MOSFET 關(guān)斷、以及在輸入過壓情況下禁止接通或自動重試。該器件的停機模式可將電源電流減小到低至 10μA。
圖 1：LTC4364 的簡化方框圖
高級浪涌抑制器可承受較高的電壓并確保安全操作
圖 2 示出了 LTC4364 的一種典型應(yīng)用。在正常工作條件下，LTC4364 將浪涌抑制器 N 溝道 MOSFET (M1) 驅(qū)動至完全導通，并把理想二極管 N 溝道 MOSFET (M2) 的 VDS 調(diào)節(jié)至 30mV，從而最大限度地減小了從輸入電源至負載電路的電壓降。當 VOUT 上升到 (VIN – 0.7V) 時，ENOUT 引腳電平走高以啟動負載電路。
圖 2：具反向電流保護功能的浪涌抑制器可在 VIN 上承受 200V/-24V 瞬態(tài)電壓
在輸入電壓浪涌期間，LTC4364 調(diào)節(jié) HGATE 引腳電壓，并通過 MOSFET M1 和一個阻性分壓器對輸出電壓進行箝位，從而把 FB 引腳電壓保持在 1.25V。負載電路繼續(xù)運作，且電源電壓僅有適度的增加 (如圖 3 所示)。
圖 3：LTC4364 將輸出調(diào)節(jié)在 27V，而負載電路面對一個 92V 輸入尖峰可繼續(xù)運作
在電流過載的情況下，LTC4364 通過 M1 限制輸出電流以把 SENSE 和 OUT 引腳兩端的電壓保持在 50mV (當 OUT > 2.5V 時)。對于 OUT 低于 1.5V 時的嚴重輸出短路，電流限制檢測電壓將折返至 25mV 以為 MOSFET 提供額外的保護 (圖 4)。
圖 4：電流限值的 2:1 折返可減小嚴重輸出短路時的 MOSFET 應(yīng)力
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當出現(xiàn)輸出限制時 (過壓 [如圖 5 所示] 或過流)，定時器電容器電壓斜坡上升。假如這種狀況持續(xù)的時間足夠長以至于 TMR 引腳電壓達到 1.25V，則 FAULT 引腳電平走低，以向下游電路發(fā)出“即將發(fā)生功率損失”的早期報警。在 1.35V 電壓下定時器將關(guān)斷 MOSFET，并在等待一個冷卻間隔之后再嘗試重新起動。
圖 5：LTC4364-2 在過壓故障之后的自動重試定時器序列提供了一個非常長的冷卻周期 (0.1% 占空比)
LTC4364 監(jiān)視 MOSFET 兩端的電壓，并針對不斷增加的 VCC – VOUT 成比例地縮短關(guān)斷定時器間隔。這樣，高應(yīng)力輸出短路過程的持續(xù)時間間隔要比短暫的輕微過載更短，因而有助于確保 MOSFET 在其安全工作區(qū)之內(nèi)運作。
在過壓或過流情況下，LTC4364 具有一個非常低的再起動占空比 (約為 0.1%)，從而可確保 MOSFET 在因故障而被關(guān)斷之后先冷卻，然后再重新起動。圖 5 示出了 LTC4364-2 在一個過壓故障之后的自動重試定時器序列。
LTC4364 的一個重要特性是：可在輸入電源和 VCC 引腳之間布設(shè)一個電流限制器件，例如一個電阻器 (圖 2 中的 R4)?，F(xiàn)在，VCC 引腳上的電源瞬變可利用一個電容器 (圖 2 中的 C1) 進行濾波或由一個齊納二極管 (圖 2 中的 D1) 進行箝位。如果選擇了一個正確的 MOSFET M1，那么該方案將能承受遠遠高于 100V 的電源瞬變。圖 2 中的電路可耐受高達 200V 的電源瞬變。
輸入電壓監(jiān)視可避免發(fā)生不想要的接通
LTC4364 采用 UV 引腳來檢測輸入欠壓狀況 (例如：低電池電量)，并在 UV 引腳電壓低于 1.25V 時使 MOSFET 保持關(guān)斷。另外，LTC4364 還監(jiān)視輸入過壓狀況并把 MOSFET 保持在關(guān)斷狀態(tài)，以在發(fā)生某種輸出故障情況之后執(zhí)行啟動或再起動操作。
在上電時，如果 OV 引腳電壓在 100μs 的上電復位延遲結(jié)束之前 (或 UV 引腳電壓升至 1.25V 以上之前) 高于 1.25V，則 MOSFET 將保持關(guān)斷，直到 OV 引腳電壓降至 1.25V 以下為止。該特性可避免當電路板插入一個過壓電源時執(zhí)行啟動操作，借助的方法是采用兩個分離的阻性分壓器以及用于 OV 和 UV 引腳的合適濾波電容器 (圖 6)。
圖 6：可對輸入 UV 和 OV 監(jiān)視器進行配置以阻止在過壓情況下啟動
啟動之后，在正常情況下后續(xù)的輸入過壓條件并不會關(guān)斷 MOSFET，而是將在某種輸出故障之后阻止執(zhí)行自動重試操作。在某個故障之后，如果 OV 引腳電壓在冷卻定時器周期結(jié)束時高于 1.25V，則 MOSFET 將保持關(guān)斷狀態(tài)，直到輸入過壓情況被清除為止。
理想二極管可利用微小的電壓降提供針對反向輸入和欠壓的保護
為提供反向輸入保護，在電子系統(tǒng)的電源通路中常常安置一個肖特基隔離二極管。這個二極管不僅消耗功率，而且還降低了可提供給負載電路的工作電壓，而在采用低輸入電壓時這一點特別明顯 (比如：汽車冷車發(fā)動情況)。通過采用 DGATE 引腳來驅(qū)動第二個反向連接的 MOSFET (圖 2 中的 M2)，LTC4364 去除了傳統(tǒng)的肖特基隔離二極管及其所引起的電壓和功率損失。[!--empirenews.page--]
在正常操作條件下，LTC4364 將正向壓降 (M2 的 VDS) 調(diào)節(jié)至僅為 30mV。倘若負載電流足夠大而產(chǎn)生了超過 30mV 的正向壓降，則 M2 被驅(qū)動至完全導通，而且其 VDS 等于 RDS(ON)·ILOAD。
當發(fā)生輸入短路或電源故障時，反向電流將暫時流過 M2。LTC4364 可檢測到反向電壓降并立即關(guān)斷 M2，從而最大限度地減少輸出存儲電容器的放電并保持輸出電壓。圖 7a 示出了一個 12V 輸入電源短路至地的結(jié)果。對于這種情況，LTC4364 做出的響應(yīng)是把 DGATE 引腳拉至低電平，從而切斷了反向電流通路，輸出電壓于是得以保持。
在電池接反的場合中，LTC4364 將 DGATE 引腳短接至 SOURCE 引腳 (其跟隨輸入)，且無需使用外部組件，從而把 M2 保持在關(guān)斷狀態(tài)并使負載電路與輸入斷接，如圖 7b 所示。VCC、SHDN、UV、OV、HGATE、SOURCE 和 DGATE 引腳皆能承受高于 GND 電位達 100V 及低于 GND 電位達 40V 的瞬態(tài)電壓。
(a) (b)
圖 7：LTC4364 輸入保護：(a) 當發(fā)生輸入短路或欠壓時，DGATE 引腳被拉低，因而關(guān)斷理想二極管 MOSFET 并保持輸出電壓; (b) 在反向輸入情況下，DGATE 引腳被拉至 SOURCE 引腳，從而把理想二極管 MOSFET 保持在關(guān)斷狀態(tài)并切斷反饋
內(nèi)置輸出端口保護功能電路
當輸出位于一個連接器的時候 (如圖 8 所示)，它有可能遭受過壓、短路或反向電壓。LTC4364 憑借多項特性為負載電路和輸入電源提供了針對這些情況的保護作用：
l 假如輸出端口插入了一個高于輸入的電源，則理想二極管 MOSFET M2 關(guān)斷以使反饋通路斷開，如圖 9a 所示。
l 如果輸出端口短路至地，則 HGATE 引腳首先把正向電流調(diào)節(jié)至電流限值，然后在故障超時的情況下關(guān)斷 MOSFET M1。
l 如果一個反向電源被施加至輸出端口，則 LTC4364 將在 OUT 引腳電壓降至 GND 電位以下時關(guān)斷傳輸 MOSFET M1，從而使正向?qū)娏魍窋嚅_并避免在輸入端上發(fā)生電池電量耗盡。
圖 9b 示出了當一個 –12V 電源施加至輸出端時的結(jié)果。LTC4364 將立即把 HGATE 引腳短接至 SOURCE 引腳 (其跟隨輸出)，從而關(guān)斷 MOSFET M1，于是輸入電源與故障輸出斷接。
圖 8：LTC4364 提供了針對過壓、短路或反向電壓的內(nèi)置輸出端口保護功能
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(a) (b)
圖 9：LTC4364 輸出端口保護：(a) 當強制輸出高于輸入時，DGATE 引腳被拉低以切斷反饋; (b) 當強制輸出低于 GND 電位時，HGATE 引腳被拉至 SOURCE 引腳，從而切斷正向?qū)ú⒐?jié)省輸入端上的電池功率。
LTC4364 的 OUT 和 SENSE 引腳能承受高于 GND 電位達 100V 及低于 GND 電位達 20V 的瞬態(tài)電壓。對于那些有可能強制輸出端口低于地電位的應(yīng)用，應(yīng)在輸出端上采用具有正確額定電壓的陶瓷旁路電容器，以穩(wěn)定電壓和電流限制環(huán)路并最大限度地抑制輸入瞬變的容性饋通 (見圖 8)。應(yīng)使用一個低漏電二極管 (圖 8 中的 D2) 以保護 FB 引腳。
結(jié)論
LTC4364 是一款緊湊和完整的解決方案以限制和調(diào)節(jié)電壓及電流，可保護敏感的負載電路免遭危險電源瞬變 (包括那些超過 100V 的電源瞬變) 的損壞。在汽車和工業(yè)系統(tǒng)中，它是傳統(tǒng)上龐大笨重保護電路的一種易于實現(xiàn)的高性能替代方案。
LTC4364 的集成型理想二極管驅(qū)動器可在輸入短路、電源欠壓或反向輸入的情況下保持輸出電壓，同時削減因采用隔離二極管所造成的電壓損失。當輸出位于連接器側(cè)時，其內(nèi)置的輸出端口保護功能電路是很有用處的。由于擁有輸入 UV 和 OV 監(jiān)視功能及一種低電流停機模式，因而使該器件的特性集更加完善。
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