傳統(tǒng)上，保險(xiǎn)絲用于過(guò)流保護(hù)。然而，保險(xiǎn)絲體積龐大，響應(yīng)緩慢，跳閘電流容差寬，并且在一次或幾次跳閘后需要更換。本文介紹一種緊湊、扁平、快速的 10 A 電子保險(xiǎn)絲，它克服了這些無(wú)源保險(xiǎn)絲的缺點(diǎn)。電子保險(xiǎn)絲可在高達(dá) 48 V 的直流電源軌上提供過(guò)流保護(hù)。

介紹

為了最大限度地減少電氣故障造成的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，高可用性或 24/7/365 系統(tǒng)中的電源需要防止其供電的電路板過(guò)載和短路。當(dāng)電源為多個(gè)子系統(tǒng)或電路板（如RF功率放大器陣列或基于背板的服務(wù)器和路由器）供電時(shí)，電源的過(guò)流保護(hù)至關(guān)重要?？焖贁嚅_(kāi)故障子系統(tǒng)與共享電源總線的連接，允許其余子系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，而無(wú)需重新啟動(dòng)或脫機(jī)。

傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù) （OCP） 依賴于保險(xiǎn)絲，但它們體積龐大、響應(yīng)速度慢、容差寬，并且在一次或幾次跳閘后需要更換。用于直流電源的集成電路OCP解決方案（稱為電子斷路器或電子保險(xiǎn)絲）克服了這些保險(xiǎn)絲缺點(diǎn)。為了節(jié)省電路板空間并類似于無(wú)源保險(xiǎn)絲的簡(jiǎn)單性，電子保險(xiǎn)絲在同一封裝中包括功率MOSFET開(kāi)關(guān)和控制電路。

帶內(nèi)部功率 MOSFET 的浪涌抑制器

浪涌抑制器是一種集成電路器件，用于控制放置在直流電源（例如 12 V、24 V 或 48 V）與需要保護(hù)免受輸入電壓和負(fù)載電流浪涌影響的系統(tǒng)電子設(shè)備之間的電源路徑中的 N 溝道功率 MOSFET。內(nèi)置輸出電流和輸出電壓限制功能使浪涌抑制器能夠保護(hù)負(fù)載電子設(shè)備免受高壓輸入浪涌的影響，并保護(hù)電源免受下游過(guò)載和短路的影響?？烧{(diào)定時(shí)器在電壓或電流浪涌限制事件期間激活，允許系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，無(wú)需斷電，以應(yīng)對(duì)短暫的故障瞬變。如果故障持續(xù)超過(guò)定時(shí)器持續(xù)時(shí)間，則系統(tǒng)將與電源斷開(kāi)連接。

LTC?4381 是首款具有一個(gè)內(nèi)部功率 MOSFET 的浪涌抑制器。該器件采用高達(dá) 72 V 的電源電壓工作，靜態(tài)電流僅為 6 μA。內(nèi)部功率 MOSFET 的 100 V 漏極源極擊穿電壓 （BVDSS） 和 9 mΩ 導(dǎo)通電阻 （RDS（ON）） 允許高達(dá) 100 V 的輸入浪涌和 10 A 的應(yīng)用。LTC4381 具有四個(gè)選項(xiàng)，這些選項(xiàng)提供了故障重試行為和固定或可調(diào)輸出箝位電壓的選擇。

48 V、10 A 電子保險(xiǎn)絲電路

LTC4381 的浪涌抑制器功能可輕松擴(kuò)展為用作電子保險(xiǎn)絲。圖1顯示了48 V、10 A電子保險(xiǎn)絲應(yīng)用中的LTC4381-4，可防止電源在輸出端發(fā)生過(guò)載或短路。正常工作期間，輸出V外連接到電源輸入 V在通過(guò)內(nèi)部功率MOSFET和外部檢測(cè)電阻，R社交網(wǎng)絡(luò).當(dāng) R社交網(wǎng)絡(luò)在輸出過(guò)載或短路期間，壓降超過(guò)50 mV限流閾值，TMR引腳電容電壓從0 V開(kāi)始上升，當(dāng)TMR電壓達(dá)到1.215 V時(shí)，內(nèi)部MOSFET關(guān)斷（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。The 4 mΩ R社交網(wǎng)絡(luò)將典型過(guò)流閾值設(shè)置為12.5 A （50 mV/4 mΩ），將最小閾值設(shè)置為11.25 A （45 mV/4 mΩ），為10 A負(fù)載電流提供足夠的裕量。

圖1.48 V、10 A電子保險(xiǎn)絲，內(nèi)置LTC4381。

由于回電源的走線或電纜的寄生電感，每當(dāng)內(nèi)部MOSFET開(kāi)關(guān)在電流流動(dòng)時(shí)關(guān)閉時(shí)，輸入電壓尖峰都會(huì)明顯高于正常工作電壓。齊納D1保護(hù)LTC4381 V抄送引腳的絕對(duì)最大額定值為 80 V，而 D2 可保護(hù)內(nèi)部 100 V MOSFET 免受雪崩影響。D1還將輸出箝位設(shè)置為66.5 V （56 V + 10.5 V），以防不使用D2。R1 和 C1 濾波器 V在高峰和低谷。如果電容接近LTC4381限制電壓尖峰至80 V以下，則V抄送引腳可直接連接到V在.在這種情況下，可以消除 D1、D2、R1 和 C1。

正常工作期間，10 A電流流過(guò)內(nèi)部MOSFET，LTC4381的初始?jí)航禐?0 mV，功耗為900 mW。然而，這種功耗使 LTC4381 封裝溫度在室溫環(huán)境下將 DC2713A-D 評(píng)估板上的封裝溫度提高到約 100°C，從而使DS（ON）并將壓降提高到180 mV。4 mΩ檢測(cè)電阻在10 A時(shí)再壓降40 mV?？梢韵母嗟你~面積，特別是在SNS節(jié)點(diǎn)上，以降低LTC4381的溫升。作為參考，DC2713A-D SNS 節(jié)點(diǎn)使用 2.5 cm22盎司銅，均勻分布在板的兩個(gè)外層。

啟動(dòng)行為

ON引腳從地釋放后，圖1電路啟動(dòng)一個(gè)220 μF負(fù)載電容，如圖2所示，適用于48 V和60 V電源。假設(shè)60 V是48 V電源工作范圍的上限。假設(shè)啟動(dòng)期間沒(méi)有額外的負(fù)載電流，220 μF是該10 A電路可安全充電的最大負(fù)載電容。如果220 μF電容在12.5 A電流限值下充電至60 V，則浪涌時(shí)間為220 μF×60 V/12.5 A = 1.06 ms。如圖3所示，LTC4381 MOSFET的安全工作區(qū)（SOA）圖顯示，它可以承受12.5 A和30 V電流1 ms。 使用30 V，因?yàn)樗瞧骄斎胫凛敵霾罘蛛妷?，?0 V開(kāi)始，逐漸下降到0 V。

圖2.LTC4381 10 A保險(xiǎn)絲電路采用（a）48 V（左）和（b）60 V（右）電源啟動(dòng)220 μF負(fù)載電容。

圖3.LTC4381 MOSFET 的安全工作區(qū)域。

由于沒(méi)有GATE引腳電容來(lái)減慢其斜坡速率，輸出在2 ms內(nèi)充電，浪涌電流在17 A處達(dá)到峰值，超過(guò)電流限制閾值，然后得到控制（見(jiàn)圖2）。LTC4381具有50 mV電流限制檢測(cè)閾值，當(dāng)OUT引腳上的電壓為>3 V時(shí)，采用4 mΩ檢測(cè)電阻時(shí)為12.5 A，但當(dāng)OUT引腳上的電壓為<1.5 V時(shí)，該閾值增加到62 mV或15.5 A，如圖4所示。該圖還表明，如果在啟動(dòng)期間檢測(cè)電阻兩端的電子負(fù)載電流下降超過(guò)20 mV（4 mΩ為5 A），則輸出可能會(huì)卡在2 V（TMR超時(shí)）。

圖4.LTC4381 電流限值相對(duì)于輸出電壓的關(guān)系。

圖2中的波形顯示，由于缺少環(huán)路穩(wěn)定性所需的47 nF柵極電容，浪涌電流脈沖而不是調(diào)節(jié)。事實(shí)上，在60 V浪涌期間，電流關(guān)斷約0.5 ms。LTC4381 TMR 上拉電流與內(nèi)部 MOSFET 中的功耗成正比。因此，即使電流低于電流限制閾值，TMR也會(huì)在啟動(dòng)浪涌期間上升。柵極電容被特意省略，以提供小型TMR電容，該電容仍允許成功啟動(dòng)220 μF負(fù)載電容。一個(gè)小的TMR電容在發(fā)生短路故障時(shí)保護(hù)MOSFET，這將在下一節(jié)中討論。

68 nF 是最小的 TMR 電容器，可在 60 V 啟動(dòng)期間將 TMR 電壓上升保持在 0.7 V 左右。例如，為T(mén)MR電容選擇47 nF可使TMR在60 V啟動(dòng)期間達(dá)到1.15 V，非常接近1.215 V柵極關(guān)斷閾值。選擇0.7 V峰值TMR目標(biāo)電壓，以提供與1.215 V柵極關(guān)斷閾值足夠的裕量，同時(shí)考慮以下容差：TMR上拉電流為±50%（ITMR（向上） 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格，TMR 電容器為 ±10%，1.215 V TMR 柵極關(guān)斷閾值為 ±3% （VTMR（F）規(guī)范）。

表1列出了最大負(fù)載電容的推薦TMR電容，以在60 V啟動(dòng)期間將TMR電壓上升限制在0.7 V左右。

輸出短路行為

圖1電路的主要目的是在啟動(dòng)或正常工作期間保護(hù)上游電源免受下游過(guò)流故障（如過(guò)載和短路）的影響。圖 5 示出了 LTC4381 在輸出端存在短路的情況下啟動(dòng)其 MOSFET。柵極電壓（藍(lán)色曲線）斜坡上升。當(dāng)超過(guò)3 V閾值電壓時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，電流（綠色曲線）開(kāi)始流動(dòng)。由于輸出短路且缺少柵極電容，MOSFET電流迅速上升，在0 V輸出時(shí)超過(guò)15.5 A電流限制閾值，并在LTC4381做出反應(yīng)以拉下MOSFET柵極并關(guān)閉電流之前達(dá)到21 A峰值。高于15.5 A的電流偏移持續(xù)不到50 μs。由于MOSFET中的短暫功耗，TMR電壓（紅色曲線）上升約200 mV。由于TMR遠(yuǎn)低于1.215 V柵極關(guān)斷閾值，柵極再次導(dǎo)通，導(dǎo)致另一個(gè)電流尖峰。隨著電流的每個(gè)尖峰，TMR電壓升至接近1.215 V。

圖5.LTC4381啟動(dòng)48 V電源至輸出短路。

經(jīng)過(guò)幾次這樣的電流尖峰后，TMR電壓達(dá)到1.215 V柵極關(guān)斷閾值，MOSFET保持關(guān)斷。TMR 現(xiàn)在進(jìn)入一個(gè)冷卻循環(huán)，LTC4381-4 在冷卻周期完成之前不會(huì)讓 MOSFET 再次導(dǎo)通。對(duì)于68 nF TMR電容，冷卻周期為33.3 × 0.068 = 2.3 s，根據(jù)LTC4381數(shù)據(jù)手冊(cè)中的公式8。由于 LTC4381-4 會(huì)自動(dòng)重試，因此相同的電流尖峰和冷卻周期模式將無(wú)限期重復(fù)，直到輸出短路被消除。如果在正常工作期間（即輸出已經(jīng)啟動(dòng)時(shí)）發(fā)生輸出短路，則重復(fù)該模式。請(qǐng)注意，除非增加4 μH輸入軌電感，否則LTspice仿真不會(huì)表現(xiàn)出圖5的行為。?

結(jié)論

LTC4381的內(nèi)部功率MOSFET為高達(dá)48 V、10 A系統(tǒng)的電子保險(xiǎn)絲或斷路器提供緊湊電路。省去了選擇功率 MOSFET 所花費(fèi)的設(shè)計(jì)時(shí)間。LTC4381 MOSFET 的 SOA 經(jīng)過(guò)生產(chǎn)測(cè)試，并針對(duì)每個(gè)器件進(jìn)行了保證，而分立式 MOSFET 無(wú)法提供這種保證。這有助于構(gòu)建強(qiáng)大的解決方案，以保護(hù)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中昂貴的電子設(shè)備。

由于沒(méi)有環(huán)路穩(wěn)定GATE電容，本文討論的10 A電路具有一些應(yīng)牢記的獨(dú)特行為。具體來(lái)說(shuō)，這些是缺乏傳統(tǒng)的dV/dt控制的浪涌電流和短路事件期間的脈沖電流。但是，這些是短暫的瞬態(tài)事件，持續(xù)時(shí)間不到幾毫秒。輸入旁路電容有助于防止48 V電源產(chǎn)生任何干擾，尤其是在與其他電路板共用時(shí)，例如背板上。在后一種情況下，相鄰電路板的負(fù)載電容也與輸入旁路電容具有相同的用途。

審核編輯：郭婷