過(guò)壓保護的備用電路: 技巧和竅門(mén)
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引言
MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398過(guò)壓保護(OVP)器件用于保護后續電路免受甩負載或瞬間高壓的破壞。器件通過(guò)控制外部串聯(lián)在電源線(xiàn)上的n溝道MOSFET實(shí)現。當電壓超過(guò)用戶(hù)設置的過(guò)壓門(mén)限時(shí)，拉低MOSFET的柵極，MOSFET關(guān)斷，將負載與輸入電源斷開(kāi)。過(guò)壓保護(OVP)器件數據資料中提供的典型電路可以滿(mǎn)足大多數應用的需求(圖1)。然而，有些應用需要對基本電路進(jìn)行適當修改。本文討論了兩種類(lèi)似應用：增大電路的最大輸入電壓，在過(guò)壓情況發(fā)生時(shí)利用輸出電容存儲能量。
圖1. 過(guò)壓保護的基本電路
增加電路的最大輸入電壓
雖然圖1電路能夠工作在72V瞬態(tài)電壓，但有些應用需要更高的保護。因此，如何提高OVP器件的最大輸入電壓是一件有意義的事情。圖2所示電路增加了一個(gè)電阻和齊納二極管，用來(lái)對IN的電壓進(jìn)行箝位。如果增加一個(gè)三極管緩沖器(圖3)，就可以降低對并聯(lián)穩壓器電流的需求，但也提高了設計成本。
圖2. 增大最大輸入電壓的過(guò)壓保護電路
圖3. 通過(guò)三極管緩沖器增大輸入電壓的過(guò)壓保護電路
齊納二極管的選擇，要求避免在正常工作時(shí)消耗過(guò)多的功率，并可承受高于輸入電壓最大值的電壓。此外，齊納二極管的擊穿電壓必須小于OVP的最大工作電壓(72V)，擊穿時(shí)齊納二極管電流最大。
串聯(lián)電阻(R3)既要足夠大，以限制過(guò)壓時(shí)齊納二極管的功耗，又要足夠小，在最小輸入電壓時(shí)能夠維持OVP器件正常工作。
圖2中電阻R3的阻值根據以下數據計算：齊納二極管D1的擊穿電壓為54V；過(guò)壓時(shí)峰值為150V，齊納二極管的功率小于3W。根據這些數據要求，齊納二極管流過(guò)的最大電流為：
3W/54V = 56mA
根據這個(gè)電流，R3的下限為：
(150V - 54V)/56mA = 1.7kΩ
R3的峰值功耗為：
(56mA)2 × 1.7kΩ = 5.3W
如果選擇比5.3W對應電阻更小的阻值，則會(huì )在電阻和齊納二極管上引起相當大的功率消耗。
為了計算電阻R3的上限，必須了解供電電壓的最小值。保證MAX6495正常工作的最小輸入電壓為5.5V。例如，假設供電電壓的最小值為6V，正常工作時(shí)R3的最大壓降為500mV。由于MAX6495的工作電流為150μA (最大)，相應電阻的最大值為：
500mV/150μA = 3.3kΩ
圖2中的R3設置為2kΩ，可以保證供電電壓略小于6V時(shí)OVP器件仍可以正常工作。
注意，發(fā)生過(guò)壓故障時(shí)，R3和D1 (圖2)需要耗散相當大的功率。如果過(guò)壓條件持續時(shí)間較長(cháng)(如：幾十毫秒以上)，圖3所示電路或許更能勝任應用的要求。圖中射極跟隨器通過(guò)降低從R3與D1節點(diǎn)抽取的電流大大增加R3所允許的最大值。以β值為100的三極管為例，此時(shí)150μA的器件工作電流變成1.5μA。這種情況下，不能忽略5μA的二極管反向漏電流。R3為10kΩ，因此，由于漏電流在R3上產(chǎn)生的壓降會(huì )達到50mV。
在IN和GND間使用一個(gè)1μF (最小值)的陶瓷電容。確保器件的電壓范圍滿(mǎn)足輸入電壓的要求，須注意MOSFET的VDS_MAX額定值。
利用輸出端電容儲能
發(fā)生過(guò)壓時(shí)，典型應用電路能夠對輸出電容自動(dòng)放電，以保護下游電路(圖4)，有些應用需要利用輸出電容儲存能量，并且能夠在瞬間高壓的條件下繼續維持下游電路的供電，利用圖5電路可以達到這一目的。
圖4. 典型的限壓電路提供輸出電容放電通道
MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398通過(guò)內部100mA的電流源(見(jiàn)圖4)連接到GATE輸出，以對柵極電容和輸出電容放電。電流源先對GATE放電(電流I1，綠色箭頭)，直到GATE的電壓等于OUTFB電壓，然后斷開(kāi)FET，電流源繼續降低GATE電壓，最后，直到內部的箝位二極管變?yōu)檎蚱?，對輸出電容放?電流I2，紅色箭頭)。
圖5. 帶有輸出電容儲能功能的過(guò)壓限制電路
如果OUTFB沒(méi)有連接，則斷開(kāi)了通過(guò)箝位二極管放電的通路，不再對輸出電容放電。然而，MOSFET的柵極就不再有保護箝位二極管，VGS_MAX有可能超出額定值。
在MOSFET源極和柵極之間增加一個(gè)外部箝位二極管(圖5中的D1)可重新建立輸出端與100mA恒流源之間的通路。在柵極和GATE引腳之間增加一個(gè)串聯(lián)電阻(圖5中的R3)，將會(huì )限制輸出電容的放電電流，降低電流。限制放電電流的同時(shí)會(huì )增加電路的斷開(kāi)時(shí)間，也降低了電路對瞬態(tài)過(guò)壓的響應速度。在串聯(lián)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容(圖5中的C4)可以減輕對響應時(shí)間的影響，還可以選擇使用電阻R4，避免OUTFB浮空。
如果將SET外部的分壓電阻連接到輸出端，而不是輸入端(參考上述電路圖)，使MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398工作在限幅模式，發(fā)生過(guò)壓時(shí)，電路會(huì )定期地對輸出電容進(jìn)行充電。電容電壓跌落到過(guò)壓門(mén)限的滯回電壓以下時(shí)，MOSFET導通，對電容充電；當電容電壓達到過(guò)壓門(mén)限時(shí)，MOSFET斷開(kāi)。
圖6給出了MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398工作在過(guò)壓監控模式的電路。輸入電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓后連接到SET引腳，當輸入過(guò)壓時(shí)，斷開(kāi)MOSFET，并將一直維持斷開(kāi)狀態(tài)，直到解除輸入過(guò)壓故障。
圖6. 過(guò)壓監測模式下的過(guò)壓比較配置
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