ADI浪涌抑制器——为产品的可靠运行保驾护航
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。
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。
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。
图1 工业现场常见的浪涌形式
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。
图2 传统保护架构
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：
（1）吸收同样的能量，分立器件需要更大的体积。
（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。
（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。
（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。
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？
图3 浪涌抑制器在汽车中的应用
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。
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。
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。
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。
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。
在保护状态下，后级电路会保持工作状态。
图4 线性浪涌抑制器
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。
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。
在保护状态下，后级电路会保持工作状态。
图5 开关浪涌抑制器
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。
在保护状态下，后级电路会停止工作。
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。
图6 ltc4368框图
四、产品举例
alex分享了adi的一款线性浪涌抑制器lt4363。
图7 lt4363的电路架构
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。
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。
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。
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。
设计要点
过压故障
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。
过流故障
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。
mosfet的选型
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。
v（br）dss漏源极电压的最大值：
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。
v（br）gs栅极驱动电压：
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。
mosfet的soa：
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：
图8 场效应管fdb33n25 的soa曲线
在选择mosfet的soa时，必须考虑所有故障条件下的情况；
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；
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。
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。
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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。
图1 工业现场常见的浪涌形式
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。
图2 传统保护架构
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：
（1）吸收同样的能量，分立器件需要更大的体积。
（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。
（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。
（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。
三、adi的革新技术——surge stopper
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图3 浪涌抑制器在汽车中的应用
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。
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。
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。
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。
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。
在保护状态下，后级电路会保持工作状态。
图4 线性浪涌抑制器
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。
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。
在保护状态下，后级电路会保持工作状态。
图5 开关浪涌抑制器
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。
在保护状态下，后级电路会停止工作。
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。
图6 ltc4368框图
四、产品举例
alex分享了adi的一款线性浪涌抑制器lt4363。
图7 lt4363的电路架构
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。
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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。
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设计要点
过压故障
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。
过流故障
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。
mosfet的选型
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。
v（br）dss漏源极电压的最大值：
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。
v（br）gs栅极驱动电压：
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。
mosfet的soa：
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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。
五、结语
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