【導讀】在電子系統設計過程中，電源異常情況往往成為電路穩定運行的"隱形殺手"。當24V電源被誤接到12V系統，或是在接線時意外將電源極性反接，這些看似低概率的事件一旦發生，就可能導致整個電路板的永久性損壞。特別是在工業控制、汽車電子等復雜工作環境中，電源電壓瞬變現象更為常見，甚至可能出現電壓跌落至負值的情況。如何為敏感電子元器件構建可靠的保護屏障，確保系統在電源異常時仍能安然無恙，已成為每一位電子工程師必須重視的關鍵課題。
在電子系統設計過程中，電源異常情況往往成為電路穩定運行的"隱形殺手"。當24V電源被誤接到12V系統，或是在接線時意外將電源極性反接，這些看似低概率的事件一旦發生，就可能導致整個電路板的永久性損壞。特別是在工業控制、汽車電子等復雜工作環境中，電源電壓瞬變現象更為常見，甚至可能出現電壓跌落至負值的情況。如何為敏感電子元器件構建可靠的保護屏障，確保系統在電源異常時仍能安然無恙，已成為每一位電子工程師必須重視的關鍵課題。
為了隔離負電源電壓，設計人員慣常的做法是布設一個與電源相串聯的功率二極管或 P 溝道 MOSFET。然而——
二極管既占用寶貴的板級空間，又會在高負載電流下消耗大量的功率。 P 溝道 MOSFET 的功耗雖然低于串聯二極管，但 MOSFET 以及所需的驅動電路將導致成本增加。
這兩種解決方案均犧牲了低電源操作性能，尤其是串聯二極管。而且，兩種方法都沒有提供針對過高電壓的保護 —— 這種保護需要更多的電路，包括一個高電壓窗口比較器和充電泵。
欠壓、過壓和電源反向保護
LTC4365是一款獨特的解決方案，可精巧和穩健地保護敏感電路免遭意料之外的高電源電壓或負電源電壓。LTC4365 能隔離高達 60V 的正電壓和低至 –40V 的負電壓。只有處于安全工作電源范圍之內的電壓被傳送至負載。僅需的外部有源組件是一個連接在不可預知的電源與敏感負載之間的雙路N溝道MOSFET。
圖 1 示出了一款完整的應用電路。一個阻性分壓器負責設定用于負載與VIN連接 / 斷接的過壓(OV)和欠壓 (UV) 跳變點。如果輸入電源漂移至該電壓窗口之外，則LTC4365 將迅速把負載與電源斷接。
圖 1：完整的 12V 汽車欠壓、過壓及電源反向保護電路
雙路 N 溝道 MOSFET 負責在 VIN 上隔離正電壓和負電壓。在標準運作期間，LTC4365 為外部 MOSFET 的 柵極提供了增強的 8.4V。LTC4365 的有效工作范圍從低至2.5V到高達34V —— OV和UV窗口可介于此范圍之內。對于大多數應用來說，無需在 VIN 上設置保護性箝位電路，從而進一步簡化電路板設計。
準確和快速的過壓及欠壓保護
LTC4365 中兩個準確 (±1.5%) 的比較器用于監視 VIN上的過壓 (OV) 和欠壓 (UV) 狀況。如果輸入電壓分別升至 OV 門限以上或降至 UV 門限以下，則外部 MOSFET 的柵極將快速關斷。外部阻性分壓器允許用戶選擇一個與 VOUT 上的負載相兼容的輸入電源范圍。此外，UV 和 OV 輸入還具有非常低的漏電流 (在 100°C 時通常 <1nA)，因而可在外部阻性分壓器中提供大的電流值。
圖 2 示出了圖 1 電路中的 VIN 從 –30V 緩慢斜坡上升至 30V 時做出的反應。UV 和 OV 門限被分別設定為 3.5V 和 18V。當電源電壓位于 3.5V 至 18V 窗口之內時， VOUT 跟隨 VIN。若超出該窗口時，LTC4365 將 關斷 N 溝道 MOSFET，并使 VOUT 與 VIN 斷接，即使在VIN為負值的情況下也不例外。
圖 2：當 VIN 從 –30V上升至 30V 時的負載保護
新穎的電源反向保護
LTC4365 運用了一種新穎的負電源保護電路。當 LTC4365 在 VIN 上檢測到負電壓，它迅速將 GATE 引 腳連接至 VIN。在 GATE 與 VIN 電壓之間沒有二極管壓降。當外部 N 溝道 MOSFET 的柵極處于最負電位 (VIN)時，從VOUT至VIN上負電壓的漏電流極小。
圖 3 示出了當 VIN 帶電插入至 –20V 時出現的狀況。在連接的前一刻，VIN、VOUT 和 GATE 以地電位為起始點。由于 VIN 和 GATE 連接線的寄生電感之原因，VIN 和 GATE 引腳上的電壓將顯著地變至 –20V 以下。外部 MOSFET 必須具有一個可安全承受該過 沖的擊穿電壓指標。
圖 3：從 VIN 至 –20V 的熱插拔保護
顯然，LTC4365 反向保護電路的動作速度取決于 GATE 引腳在負電壓瞬變期間跟隨 VIN 的緊密程度。在所示的標度上，兩者的波形幾乎無法區分。請注意，提供反向保護并不需要其他外部電路。
還有更多功能！
AC 隔離、VOUT 通電時的反向 VIN 熱插拔 (Hot Swap?) 控制 在出現 OV 或 UV 故障之后 (或當 VIN 變至負值時)，輸入電源必須返回有效的工作電壓窗口并持續至少 36ms 以重新接通外部 MOSFET。這將有效地隔離 50Hz和60Hz的未整流AC 電源。
另外，LTC4365 還針對負 VIN 連接提供了保護作用，即使在 VOUT 由一個單獨的電源驅動時也是如此。只要不超過外部 MOSFET 的擊穿電壓 (60V)，那么 VIN上的極性反接就不會對VOUT 上的20V電源造成影響。
結論
通過采用背對背 MOSFET (而并未使用二極管)， LTC4365 控制器為敏感電路提供了過壓、欠壓和電源 反接的保護作用。電源電壓只有在合格通過可由用戶調節的 UV 和 OV 跳變門限時才能傳送至輸出端。任何超出該窗口的電壓都被隔離，保護范圍可高達 60V和低至–40V。
LTC4365的新穎架構造就了一款外部組件極少的堅固型小尺寸解決方案，并可提供纖巧型 8 引腳 3mm x 2mm DFN 和 TSOT-23 封裝。LTC4365 具有一個 2.5V 至34V的寬工作范圍，停機期間僅消耗10μA。
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