【導讀】汽車和工業應用中的電源系統常用的保護方案是使用一個串聯的鐵芯電感器和高值電解旁路電容器，并輔之以一個高功率瞬態電壓抑制器和熔絲。這種笨拙的方法占用了大量的電路板面積，本文介紹的用于負載保護和輸出保持的完整控制解決方案，其占板面積小巧，并免除了龐大笨重的組件和不希望有的電壓降。
汽車和工業應用中的電源系統必須處理短時間的高電壓浪涌、保持負載上的電壓調節、同時避免敏感電路遭受危險瞬變的損壞。常用的保護方案需要使用一個串聯的鐵芯電感器和高值電解旁路電容器，并輔之以一個高功率瞬態電壓抑制器(TVS)和熔絲。這種笨拙的方法需要占用大量的電路板面積，在這里龐大的電感器和電容器常常是系統中最大的組件。即使采用了此類保護方案也不能提供針對反向輸人電壓或電源欠壓(這些都是汽車環境中有可能遭遇的情形)的防護作用。出于避免遭受這些事件的損壞及保持輸出電壓的考慮，設計人員增設了一個隔離幾極管，但這個二極管中的額外電壓降會導致功率損失的增加。
LTC4364 是一款用于負載保護和輸出保持的完整控制解決方案，其占板面積小巧，并免除了龐大笨重的組件和不希望有的電壓降。圖1示出了 LTC4364 的功能方框圖。該器件可驅動兩個背對背 N 溝道傳輸晶體管：其一 (圖1中的 M1) 負責提供電壓浪涌保護并保持向輸出提供一個穩定的電壓，而另一個 (圖1中的 M2) 則充當用于提供反向輸入保護和輸出保持的理想二極管。
另外，LTC4364 還可提供針對過載和短路的保護、承受輸出電壓反向、在輸入欠壓情況下保持 MOSFET 關斷、以及在輸入過壓情況下禁止接通或自動重試。該器件的停機模式可將電源電流減小到低至 10μA。
圖1：LTC4364 的簡化方框圖
圖2 示出了 LTC4364 的一種典型應用。在正常工作條件下，LTC4364 將浪涌抑制器 N 溝道 MOSFET (M1) 驅動至完全導通，并把理想二極管 N 溝道 MOSFET (M2) 的 VDS調節至 30mV，從而最大限度地減小了從輸入電源至負載電路的電壓降。當 VOUT上升到 (VIN– 0.7V) 時，ENOUT 引腳電平走高以啟動負載電路。
圖2：具反向電流保護功能的浪涌抑制器可在 VIN上承受 200V/-24V 瞬態電壓
圖3：LTC4364 將輸出調節在 27V，而負載電路面對一個 92V 輸入尖峰可繼續運作
在電流過載的情況下，LTC4364 通過M1 限制輸出電流以把 SENSE 和 OUT 引腳兩端的電壓保持在 50mV (當 OUT > 2.5V 時)。對于 OUT 低于 1.5V 時的嚴重輸出短路，電流限制檢測電壓將折返至 25mV 以為 MOSFET 提供額外的保護 (圖 4)。
圖4：電流限值的 2:1 折返可減小嚴重輸出短路時的 MOSFET 應力
圖5：LTC4364-2 在過壓故障之后的自動重試定時器序列提供了一個非常長的冷卻周期 (0.1% 占空比)
在過壓或過流情況下，LTC4364具有一個非常低的再起動占空比(約為 0.1%)，從而可確保MOSFET在因故障而被關斷之后先冷卻，然后再重新起動。圖5示出了LTC4364-2在一個過壓故障之后的自動重試定時器序列。
LTC4364 的一個重要特性是：可在輸入電源和 VCC引腳之間布設一個電流限制器件，例如一個電阻器(圖 2 中的 R4)。現在，VCC引腳上的電源瞬變可利用一個電容器 (圖 2 中的 C1) 進行濾波或由一個齊納二極管 (圖 2 中的 D1) 進行箝位。如果選擇了一個正確的 MOSFET M1，那么該方案將能承受遠遠高于 100V 的電源瞬變。圖 2 中的電路可耐受高達 200V 的電源瞬變。
輸入電壓監視可避免發生不想要的接通
LTC4364 采用 UV 引腳來檢測輸入欠壓狀況 (例如：低電池電量)，并在 UV 引腳電壓低于 1.25V 時使 MOSFET 保持關斷。另外，LTC4364 還監視輸入過壓狀況并把 MOSFET 保持在關斷狀態，以在發生某種輸出故障情況之后執行啟動或再起動操作。
在上電時，如果OV引腳電壓在100μs的上電復位延遲結束之前(或UV引腳電壓升至1.25V以上之前) 高于1.25V，則MOSFET將保持關斷，直到OV引腳電壓降至1.25V以下為止。該特性可避免當電路板插入一個過壓電源時執行啟動操作，借助的方法是采用兩個分離的阻性分壓器以及用于OV和UV引腳的合適濾波電容器(圖6)。
圖6：可對輸入 UV 和 OV 監視器進行配置以阻止在過壓情況下啟動
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理想二極管可利用微小的電壓降提供針對反向輸入和欠壓的保護
為提供反向輸入保護，在電子系統的電源通路中常常安置一個肖特基隔離二極管。這個二極管不僅消耗功率，而且還降低了可提供給負載電路的工作電壓，而在采用低輸入電壓時這一點特別明顯 (比如：汽車冷車發動情況)。通過采用 DGATE 引腳來驅動第二個反向連接的 MOSFET (圖 2 中的 M2)，LTC4364 去除了傳統的肖特基隔離二極管及其所引起的電壓和功率損失。
在正常操作條件下，LTC4364 將正向壓降 (M2 的 VDS) 調節至僅為 30mV。倘若負載電流足夠大而產生了超過 30mV 的正向壓降，則 M2 被驅動至完全導通，而且其 VDS等于 RDS(ON)•ILOAD。
當發生輸入短路或電源故障時，反向電流將暫時流過 M2。LTC4364 可檢測到反向電壓降并立即關斷 M2，從而最大限度地減少輸出存儲電容器的放電并保持輸出電壓。圖 7a 示出了一個 12V 輸入電源短路至地的結果。對于這種情況，LTC4364 做出的響應是把 DGATE 引腳拉至低電平，從而切斷了反向電流通路，輸出電壓于是得以保持。
在電池接反的場合中，LTC4364 將 DGATE 引腳短接至 SOURCE 引腳 (其跟隨輸入)，且無需使用外部組件，從而把 M2 保持在關斷狀態并使負載電路與輸入斷接，如圖 7b 所示。VCC、SHDN、UV、OV、HGATE、SOURCE 和 DGATE 引腳皆能承受高于 GND 電位達 100V 及低于 GND 電位達 40V 的瞬態電壓。
圖7：LTC4364輸入保護
LTC4364 輸入保護：(a) 當發生輸入短路或欠壓時，DGATE 引腳被拉低，因而關斷理想二極管 MOSFET 并保持輸出電壓；(b) 在反向輸入情況下，DGATE 引腳被拉至 SOURCE 引腳，從而把理想二極管 MOSFET 保持在關斷狀態并切斷反饋。
內置輸出端口保護功能電路
當輸出位于一個連接器的時候 (如圖 8 所示)，它有可能遭受過壓、短路或反向電壓。LTC4364 憑借多項特性為負載電路和輸入電源提供了針對這些情況的保護作用：
●假如輸出端口插入了一個高于輸入的電源，則理想二極管MOSFET M2關斷以使反饋通路斷開，如圖9a所示。
●如果輸出端口短路至地，則 HGATE 引腳首先把正向電流調節至電流限值，然后在故障超時的情況下關斷 MOSFET M1。
●如果一個反向電源被施加至輸出端口，則 LTC4364 將在 OUT 引腳電壓降至 GND 電位以下時關斷傳輸 MOSFET M1，從而使正向導通電流通路斷開并避免在輸入端上發生電池電量耗盡。
圖9b示出了當一個–12V 電源施加至輸出端時的結果。LTC4364 將立即把 HGATE 引腳短接至 SOURCE 引腳 (其跟隨輸出)，從而關斷 MOSFET M1，于是輸入電源與故障輸出斷接。
圖8：LTC4364 提供了針對過壓、短路或反向電壓的內置輸出端口保護功能
圖9：LTC4364 輸出端口保護
LTC4364 的 OUT和 SENSE 引腳能承受高于 GND 電位達 100V 及低于 GND 電位達 20V 的瞬態電壓。對于那些有可能強制輸出端口低于地電位的應用，應在輸出端上采用具有正確額定電壓的陶瓷旁路電容器，以穩定電壓和電流限制環路并最大限度地抑制輸入瞬變的容性饋通 (見圖 8)。應使用一個低漏電二極管 (圖 8 中的 D2) 以保護 FB 引腳。
結論
LTC4364 是一款緊湊和完整的解決方案以限制和調節電壓及電流，可保護敏感的負載電路免遭危險電源瞬變 (包括那些超過 100V 的電源瞬變) 的損壞。在汽車和工業系統中，它是傳統上龐大笨重保護電路的一種易于實現的高性能替代方案。
LTC4364 的集成型理想二極管驅動器可在輸入短路、電源欠壓或反向輸入的情況下保持輸出電壓，同時削減因采用隔離二極管所造成的電壓損失。當輸出位于連接器側時，其內置的輸出端口保護功能電路是很有用處的。由于擁有輸入 UV 和 OV 監視功能及一種低電流停機模式，因而使該器件的特性集更加完善。
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