摘要

傳統(tǒng)上，過流保護(hù)使用的是保險絲。但是，保險絲體積龐大，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電子保險絲，它沒有上述這些無源保險絲缺點。電子保險絲可在高達(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)停機時間，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，必須為電源提供過流保護(hù)。快速斷開發(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)正常運行，無需重新啟動或離線。

傳統(tǒng)的過流保護(hù)(OCP)是基于保險絲，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，則克服了這些保險絲缺點。為了節(jié)省電路板空間，并具備無源保險絲的簡單性，電子保險絲中包含功率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)運行，以應(yīng)對短暫故障。

如果故障的持續(xù)時間超過定時器時間，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提供四個選項，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電子保險絲電路

圖1.48 V、10 A電子保險絲和LTC4381

LTC4381的浪涌抑制器功能易于擴展，可以作為電子保險絲使用。圖1顯示48 V、10 A電子保險絲應(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，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保險絲電路采用(a) 48 V（左）和(b) 60 V（右）電源啟動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)在電流流動期間關(guān)閉時，輸入電壓會急漲至標(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。

正常運行期間，有10 A流過內(nèi)部MOSFET時，LTC4381的初始壓降為90 mV，功耗為900 mW。但是，在室溫環(huán)境下，這種功耗會使DC2713A-D評估板上的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時再度下降40 mV。可能需要消耗更多的銅，特別是在SNS節(jié)點，以降低LTC4381的升溫。DC2713A-D SNS節(jié)點使用2.5 cm2 2盎司銅，這些銅均勻分布在板的兩個外層上，上述信息作為參考。

圖3.LTC4381 MOSFET的安全工作區(qū)域

啟動行為

當(dāng)ON引腳不與地相接后，圖1中的電路啟動一個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)啟動期間沒有額外的負(fù)載電流的情況下，220 μF是這個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，涌入時間為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下它可以正常運行1 ms。之所以使用30 V，是因為它是平均輸入-輸出差分電壓，開始時為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檢測電阻時為12.5 A，但當(dāng)OUT引腳的電壓<1.5 V（如圖4所示）時，它會升高到62 mV或15.5 A。該圖還表明，在啟動過程中，如果檢測電阻中的電子負(fù)載電流降低超過20 mV（4 mΩ時5 A），輸出會保持在2 V（且TMR超時）。

圖2中的波形顯示，因為缺少保持環(huán)路穩(wěn)定所需的47 nF柵極電容，所以反而會對涌入電流脈沖實施調(diào)節(jié)。事實上，在60 V涌入期間，電流會斷開約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，在啟動涌入期間，TMR也會升高。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。在短路故障期間，小型TMR電容會保護(hù)MOSFET，這一點我們將在下一節(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，同時采用以下這些公差：TMR上拉電流±50%（LTC4381數(shù)據(jù)手冊中的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，無論是在啟動或正常運行期間，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，LTC4381啟動其MOSFET。柵極電壓（藍(lán)色曲線）升高。超過3 V閾值電壓時，MOSFET開啟，電流（綠色曲線）開始流動。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)斷電流流動之前達(dá)到21 A峰值。電流超出15.5 A的時間持續(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)另一個電流尖峰。在每一個電流尖峰位置，TMR電壓升高至接近1.215 V。

圖5.啟動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)手冊中的公式8，68 nF TMR電容的冷卻周期時長為33.3 × 0.068 = 2.3 s。由于LTC4381-4自動重試，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）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)的電子保險絲或斷路器提供緊湊電路。如此，在設(shè)計階段無需花費時間選擇功率MOSFET。LTC4381 MOSFET的SOA經(jīng)過生產(chǎn)測試，每個器件都可以保證質(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)時間不到幾毫秒。輸入旁路電容可以幫助防止對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，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。