無需隔離二極體就可保護敏感電路免受過壓和電源反向連接的影響

如果將 24V 電源連到 12V 電路上，會出現什麼情況? 如果電源線和地線不小心接反了，能不損壞電路嗎? 您的應用是否處於一種嚴酷的環境，其中輸入電源可能振盪到非常高的電壓或低於地電位? 即使這些事件不太可能發生，但是只要出現一次，就能損壞電路板了。

可以採取哪些方法來保護敏感電路免受過高、過低甚至負電壓的影響? 為了隔離負電源電壓，系統設計師傳統上給電源串聯一個功率二極體。不過，這個二極體佔用了寶貴的電路板空間，並在負載電流很大時浪費大量功率。

另一種常見的解決方案是為電源串聯一個高壓 P 通道 MOSFET。P 通道 MOSFET 比串聯二極體所浪費的功率少，但是 MOSFET 和驅動 MOSFET 所需電路使成本提高了。

這兩種解決方案的缺點是，它們都犧牲了以低電源電壓工作的機會，尤其是串聯二極體。另外，兩種解決方案都不能防止受到過高電壓的影響，這種保護需要更多電路，包括高壓視窗比較器和充電泵。

欠壓、過壓和電源反向連接保護

LTC4365 是一種獨特的解決方案，簡要和可靠地保護敏感電路免受不可預測的高或負電源電壓所影響。LTC4365 隔離高達 60V 的正電壓和低至 -40V 的負電壓。只有處於安全工作電源電壓範圍內的電壓才能傳遞給負載。惟一需要的外部主動元件是一個雙 N 通道 MOSFET，連接在不可預測的電源和敏感負載之間。

圖 1 顯示了一個完整的應用。電阻分壓器設定過壓 (OV) 和欠壓 (UV) 跳變點，以連接或斷開負載與 V_IN 的連接。如果輸入電源電壓變化到這個電壓視窗之外，那麼 LTC4365 就快速斷開負載與電源的連接。

 

圖 1：汽車應用中，完整的 12V 欠壓、過壓和電源反向連接保護電路

雙 N 通道 MOSFET 在 V_IN 處隔離正和負電壓。在正常工作時，LTC4365 為外部 MOSFET的閘極提供 8.4V 增強電壓。LTC4365 的有效工作範圍為 2.5V 至 34V，過壓-欠壓視窗可以處於這個範圍內的任何地方。就大多數應用而言，在 V_IN 處無需保護性箝位，這進一步簡化了電路板設計。

準確和快速的過壓和欠壓保護

LTC4365 中兩個準確 (±1.5%) 的比較器監視 V_IN 處的過壓 (OV) 和欠壓 (UV) 情況。如果輸入電源分別升高至高於 OV 或降低至低於 UV 門限，那麼外部 MOSFET 的閘極就被快速關斷。外部電阻分壓器允許使用者選擇適合 V_OUT 處負載的輸入電源範圍。此外，UV 和 OV 輸入的漏電流非常低 (在 100°C 時，典型值 < 1nA)，從而允許外部電阻分壓器中的高值電阻。

圖 2 顯示當 V_IN 從 -30V 緩慢上升至 30V 時圖 1 電路的反應。UV 和 OV 門檻分別設定為 3.5V 和 18V。當電源電壓位於 3.5V 至 18V 的視窗內時，V_OUT 追蹤 V_IN。在這個視窗之外，LTC4365 關斷 N通道 MOSFET，即使 V_IN 為負，也斷開 V_OUT 與 V_IN 的連接。

 

圖 2：V_IN 從 -30V 上升到 30V 時的負載保護

新穎的電源反向連接保護方法

LTC4365 採用了一種新穎的負電源電壓保護電路。當 LTC4365 在 V_IN 處檢測到負電壓時，它會快速連接 GATE 接腳和 V_IN。在 GATE 接腳和 V_IN 之間沒有二極體壓降。當外部 N 通道 MOSFET 的閘極電壓為最大負電壓 (V_IN) 時，從 V_OUT 到 V_IN 負電壓的漏洩最小。

圖 3 顯示了當 V_IN 被帶電接入 -20V 電壓時會發生的情況。V_IN、V_OUT 和 GATE 在連接建立瞬間從地電位開始變化。由於 V_IN 和 GATE 連接的寄生電感，V_IN 電壓和 GATE 接腳在低於 -20V 的電壓上明顯地振盪。外部 MOSFET 必須具有能承受這種過沖而不被損壞的擊穿電壓。

 

圖 3：V_IN 帶電接入 -20V

在負電壓瞬態時，GATE 接腳追隨 V_IN 的密切程度決定了 LTC4365 反向連接保護電路的速度。在圖中所用比例情況下，兩種波形幾乎無法區分。注意，無需額外的外部電路來提供反向連接保護。

AC 隔離

LTC4365 有一個恢復延遲計時器，可濾除 V_IN 雜訊，並有助於防止 V_OUT 顫動。在 OV 或 UV 故障發生之後 (或當 V_IN 變為負電壓時)，輸入電源電壓必須至少在 36ms 之內返回所希望的工作電壓視窗，以重新接通外部 MOSFET。若在不到 36ms 時間內脫離並重新返回故障狀態，那麼 MOSFET 保持斷開狀態。

圖 4 顯示，LTC4365 隔離 40V 至 -40V 的 AC 線電壓。在負電壓部分，GATE 接腳跟隨 V_IN，但當 V_IN 變為正電壓時，GATE 接腳仍然保持在地電位。注意，V_OUT 一直不受影響。

 

圖 4：36ms 恢復計時器隔離 28V、60Hz AC 線電壓

在故障情況下的高壓暫態

圖 5 顯示一個測試電路，該電路在過壓情況下產生暫態。標稱輸入電源為 24V，過壓門檻為 30V。圖 6 顯示 V_IN 在過壓情況下的波形。這些暫態視 V_IN 和 GATE 接腳上寄生電感的不同而不同。即使在實驗中，可選電源箝位 (D1) 未使用，電路仍然能承受這些暫態而不被損壞。

 

圖 5：在 V_IN 電感很大時發生 OV 故障

 

圖 6：未使用 TransZorb (TVS) 時，發生 OV 故障時的瞬態

在兩個電源之間做出選擇

該元件關機時，V_IN 和 V_OUT 接腳可以由兩個不同的電源以不同的電壓驅動。LTC4365 自動驅動 GATE 接腳至低於兩個電源之中較低的電壓，從而防止電流從任一方向流過外部 MOSFET。圖 7 所示應用使用兩個 LTC4365，以在兩個電源之間做出選擇。應該小心地確保在任意給定時間內兩個 LTC4365 中只有一個被啟動。

 

圖 7：在兩個電源之中選擇一個

在 V_OUT 已加電時，V_IN 帶電反向接入

甚至在 V_OUT 由單獨的電源驅動時，LTC4365 也可防止受到負 V_IN 連接的影響。圖 8 顯示，當 LTC4365 處於停機模式，V_OUT 加電至 20V，V_IN 帶電接入 -20V 電壓時的波形。只要不超過外部 MOSFET 的擊穿電壓 (60V)，那麼 V_OUT 端的 20V 電源電壓就不受 V_IN 端反向極性連接的影響。

 

圖 8：V_OUT 加電時 V_IN 熱插拔 (Hot Swap^TM) 至負電源的波形

結論

LTC4365 控制器保護敏感電路免受過壓、欠壓和電源反向連接的影響。只要合乎用戶可調的 UV 和 OV 跳變門檻，那麼電源電壓就被傳遞輸出。在這個視窗之外的任何電壓都被隔離，視窗電壓最高為 60V，最低為 -40V。

LTC4365 採用精小的 8 接腳 3mm x 2mm DFN 和 TSOT-23 封裝，由於 LTC4365 採用了新穎的架構，所以可提供堅固和小尺寸的解決方案，而且所需的外部零組件最少。LTC4365 無需為電源串聯反向電壓隔離二極體，用背靠背的外部 MOSFET 就可自動執行這一功能。LTC4365 提供 2.5V 至 34V 的寬廣工作電壓範圍，在關機時僅耗 10µA 電流。