摘要
在工業電子設備中，過壓保護是確保設備可靠運行的重要環節。本文將探討如何使用開關湧浪抑制器取代傳統的線性湧浪抑制器，以因應長時間的過壓情況。與傳統線性湧浪抑制器不同的是，開關湧浪抑制器能夠在持續湧浪的情況下保持負載正常運行，而傳統線性湧浪抑制器則需要在電源路徑中的MOSFET散熱超過其處理能力時切斷電流。
可靠的工業電子設備通常配備保護電路，以防止電源線路出現過壓，進而保護電子設備免受損壞。過壓現象可能在電源線路負載快速變化時發生，線路中的寄生電感可能導致高電壓尖峰。這個問題可透過輸入保護電路來解決，例如圖1所示採用 ADI LTC4380的保護電路。在該電路中，功率開關M1位於電流傳導路徑上。當 VIN時發生過壓時，開關M1將在線性區域內工作，使其表現為歐姆區域的電阻，進而透過MOSFET M1上的壓降來調節 VOUT 。此一機制可有效防止輸出電壓升高至過高水準，進而保護下游電子設備。然而，這種保護方法的有效時間是有限的，持續時間由開關M1的許可安全工作區(SOA)決定。如果功率MOSFET上的壓降一直很高且持續時間超過了限制，MOSFET的溫度將超過其最高溫度閾值，可能導致元件損壞。LTC4380等積體電路內建了計時器以防止過壓情況的發生。計時器中設定了MOSFET在過壓條件下在線性區域工作的時間，通常為數毫秒或數微秒。一旦設定時間結束，開關M1將完全斷開，進而保護開關本身，但這也表示系統的電源將被切斷。
圖1. 採用線性湧浪保護器IC進行過壓保護（簡化電路）。
為了確保工業電子設備在任何情況下都能可靠運行並獲得不斷電供應系統，選擇能夠長時間耐受過壓的解決方案十分重要。這包括考慮故障情形，例如電源線路連接錯誤可能會導致過壓。透過選擇能夠因應這些情況的解決方案，電路可以可靠運行並避免電源電壓中斷。此類解決方案可透過圖2所示的開關湧浪保護器來實現。
圖2. 無過壓時間限制的開關過壓保護電路（簡化電路）。
在圖2所示的電路中，除了湧浪保護器IC，還使用了電感和外部蕭特基二極體。降壓開關穩壓器作為保護電路運行。然而，僅當輸入電壓超過設定的最大值時，該開關穩壓器才會開始工作。此時間段內的工作通常不需要特別注重能效。簡單的蕭特基二極體可用於反馳二極體。
在圖3中，藍色顯示輸入電壓回應。正常輸入電壓為16 V。大約2 ms時，過壓達到40 V。紅色顯示輸出電壓隨時間的變化。在 VIN 過壓持續期間，開關DC-DC穩壓器啟動，將輸出電壓調節到16 V。綠色顯示區域為開關節點電壓（在MOSFET、蕭特基二極體和電感之間的節點處）。
圖3. 輸入電壓和輸出電壓對過壓的回應（上圖），以及高頻範圍內開關節點處的開關電壓（下圖）
因此，如圖1所示，過壓保護電路可以採用線性設計，或者採用特殊的開關（降壓）DC-DC穩壓器，例如圖2中的LTC7860。簡單的降壓開關穩壓器不適合此應用，因為在此種情況下，N通道 MOSFET無法持續導通。
過壓保護電路包括線性湧浪保護器和開關湧浪保護器IC。有了開關湧浪保護器，即使遭遇長時間過壓，電路也能持續工作。這表示即使過壓持續很長時間，被供電電路仍持續受到保護並正常工作。
結論
越來越多的工業和儀錶應用要求使用精密轉換器來實現各種製程的精準控制與測量。此外，這些最終應用還要求更高的彈性、可靠性和功能集，同時還需降低成本和電路板面積。元件製造商正積極解決這些難題，並推出了一系列產品來滿足系統設計人員對目前與未來設計的要求。如本文所述，有多種途徑可選擇合適的元件用於精密應用，每一種都各有優缺點。隨著系統精度的提升，人們將需要更加注重合適元件的選擇來滿足應用要求。
