如何利用保護電路輕松消除過壓

引言

例如，在配電系統中，高負載的快速斷開可能會導致過壓的產生。為保護連接到同一電源的其他負載，建議采取浪涌保護措施。圖1所示為一個保護電路的布局，在待保護的電子電路前端使用了LT4363。此示例源自一個額定電源電壓為24 V的工業應用。

圖1 用于攔截電壓浪涌的浪涌保護電路的簡易圖示

通常情況下，在出現過壓時，受到保護的電子設備應保持不間斷地運行。這就要求保護電路能夠使斷路器（圖1中的Q1）在線性范圍內工作。在出現過壓期間，MOSFET既不會完全關斷，也不會完全導通，而是處于部分導通狀態。在這種工作狀態下，它的作用就像一個電阻，過壓會在其上產生壓降。因此，升高的電壓所蘊含的能量會在MOSFET Q1中轉化為熱量。根據所選MOSFET的不同，它只能在一定時間內承受這種熱量，之后便會因過熱而損壞。

圖2 MOSFET的典型SOA曲線

圖2顯示了MOSFET的典型安全工作區(SOA)曲線。SOA曲線定義了器件在不同電壓降下可承載的電流大小，以及能夠持續承載該電流的時長。如果希望有更大的電流長時間流過MOSFET，就必須選擇SOA范圍更大的MOSFET。SOA的范圍越大，MOSFET的尺寸也就越大。這同樣會增加元件的成本。

為了實現元件尺寸的優化，通常會選用盡可能小的MOSFET，并確保其安全運行。這意味著所選的MOSFET既不尺寸過大，又要在實際應用中充分利用其SOA的大部分范圍。為此，控制器IC要能夠精確識別工作狀態，以判斷MOSFET的運行是否處于SOA的安全范圍內。然而，許多控制器IC僅僅測量流過MOSFET的電流。若還能了解MOSFET兩端的電壓降，那就更好了。

圖3 在LT4363中，根據漏源電壓對定時電容器進行充電，實現對SOA曲線的一種準仿真

 LT4363浪涌保護器件不僅會考慮流過MOSFET的電流大小，還會考慮源極和漏極之間施加的電壓。如此一來，MOSFET能夠在線性模式下更安全地運行，而且也許能夠選擇尺寸更小的MOSFET，進而降低系統成本。

這種保護機制的工作原理是，根據所測量的電流和壓降，對圖1中TMR引腳上的定時電容器進行充電。如果電容器上的電壓上升到1.275 V以上，就會發出警告。而當電壓高于1.375 V時，MOSFET會完全關斷，以實施保護。

圖3顯示了圖1中LT4363的定時電容器上的電壓如何由于圖1中MOSFET Q1上的VDS電壓而上升。對于流過MOSFET Q1的電流，同樣有類似的充電圖示。這些參數可確保不會超出MOSFET的SOA曲線，不僅實現了安全運行，也起到了過壓保護的作用。

結論

過壓保護模塊看起來相當簡單且不起眼，但一些細微的特性卻能在過壓保護的性能表現及MOSFET的選型方面產生重大影響。

作者簡介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業經驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，進而積累了不少經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。