在上期中，我們探討了基于 AI 的處理器在 48V 服務(wù)器設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)。

本期，為大家?guī)?lái)的是《電源開(kāi)關(guān)瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健可靠的電源路徑保護(hù)》，將探討電氣過(guò)應(yīng)力 (EOS) 和 200A 電子保險(xiǎn)絲企業(yè)服務(wù)器應(yīng)用中瞬態(tài)保護(hù)元件的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括放置和印刷電路板 (PCB) 布局注意事項(xiàng)。

簡(jiǎn)介

現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的元件集成通過(guò)增加功能來(lái)提高性能。大多數(shù)此類(lèi)系統(tǒng)使用需要保護(hù)的敏感且昂貴的電子器件（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列、專(zhuān)用集成電路和微處理器）。

保險(xiǎn)絲、正溫度系數(shù)電阻器、二極管和分立式電路（包括保險(xiǎn)絲、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和二極管）等傳統(tǒng)保護(hù)解決方案不準(zhǔn)確，響應(yīng)速度較慢且缺乏可配置性和可重復(fù)性。因此，在許多應(yīng)用中，使用電子保險(xiǎn)絲和熱插拔解決方案的有源電路保護(hù)已開(kāi)始取代分立式前端保護(hù)電路。

但是，有源電路保護(hù)電子保險(xiǎn)絲通常需要額外的保護(hù)，以保護(hù)它們免受瞬態(tài)事件的影響。最常見(jiàn)的瞬態(tài)事件包括熱插拔、電流突然中斷、電源浪涌、硬開(kāi)關(guān)和反向電壓。

任何此類(lèi)瞬態(tài)事件都會(huì)在器件上造成電過(guò)應(yīng)力，從而導(dǎo)致故障。在本文中，我們將討論電氣過(guò)應(yīng)力(EOS)和200A電子保險(xiǎn)絲企業(yè)服務(wù)器應(yīng)用中瞬態(tài)保護(hù)元件的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括放置和印刷電路板(PCB)布局注意事項(xiàng)。

了解 EOS

ESD 行業(yè)委員會(huì)將電氣過(guò)應(yīng)力 (EOS)定義為“當(dāng)器件兩端的電壓、流經(jīng)器件的電流或器件耗散的功率中的任何一個(gè)超過(guò)其最大限值，導(dǎo)致器件立即損壞或出現(xiàn)故障，或者造成潛在損壞，從而致使其使用壽命出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的縮短的情況。”在這些情況下，過(guò)電壓會(huì)打開(kāi)意外的電流路徑，例如導(dǎo)致二極管發(fā)生正向或反向擊穿，或使集成電路 (IC) 內(nèi)部的氧化層達(dá)到擊穿電壓。一旦過(guò)壓引發(fā)意外的電流路徑，產(chǎn)生的電流就會(huì)造成損壞，包括硅材料熔化、金屬互連熔斷、封裝材料熱損壞，以及鍵合線(xiàn)熔斷，從而導(dǎo)致電致物理?yè)p壞 (EIPD)。

可以將 EOS 與特定于器件額定電壓的絕對(duì)最大額定值相關(guān)聯(lián)：

?區(qū)域 A：安全工作區(qū)。

?區(qū)域 B：不保證器件功能或參數(shù)規(guī)范。盡管預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)物理?yè)p壞，但延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間可能會(huì)存在可靠性問(wèn)題。

?區(qū)域 C：超過(guò)絕對(duì)最大額定值，器件壽命會(huì)嚴(yán)重縮短，并存在潛在失效風(fēng)險(xiǎn)。

?區(qū)域 D：預(yù)計(jì)會(huì)立即遭受物理?yè)p壞。

如圖 1 所示，當(dāng)器件在超出絕對(duì)最大額定值運(yùn)行時(shí)，應(yīng)預(yù)料到會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因此，必須采取保護(hù)措施來(lái)抑制超過(guò)絕對(duì)最大額定值的瞬態(tài)過(guò)電壓。

圖 1：將絕對(duì)最大額定值解釋為 EOS

企業(yè)服務(wù)器系統(tǒng)示例

電子保險(xiǎn)絲廣泛用于前端的機(jī)架式服務(wù)器模塊，以提供輸入保護(hù)并實(shí)現(xiàn)熱插拔功能。圖 2 展示了機(jī)架式服務(wù)器的典型配電架構(gòu)，其中輸入來(lái)自 12V 背板，然后從電子保險(xiǎn)絲分配到所有下游負(fù)載。電源路徑涉及背板、PCB 線(xiàn)路和接口連接器，會(huì)引入寄生電感 (L)，進(jìn)而在故障事件期間產(chǎn)生意外的瞬態(tài)電壓。

圖 2：12V 機(jī)架式服務(wù)器配電的典型方框圖

我們來(lái)定量分析 L 對(duì)電子保險(xiǎn)絲的影響，如圖 3 中所示。在輸出短路的情況下，電子保險(xiǎn)絲會(huì)在 1μs 內(nèi)瞬間將大量電流從大約 200A（過(guò)流）中斷到 0A（關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)保護(hù)），從而導(dǎo)致較大的電流瞬態(tài) (di/dt)，如方程式 1 所示：

方程式 1

此電流將被捕獲為寄生電感中的能量，并產(chǎn)生浪涌，表示為方程式 2：

方程式 2

–20V 浪涌將與 12V 輸入電源串聯(lián)，并將有效地產(chǎn)生 32V 正電壓峰值，超過(guò)德州儀器 (TI)TPS25984B 電子保險(xiǎn)絲的 20V VIN 絕對(duì)最大額定值。同樣，輸出電感會(huì)在輸出端產(chǎn)生負(fù)電壓峰值。

為防止出現(xiàn)這種情況，瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管將鉗制正極側(cè)的電壓，而低正向電壓續(xù)流肖特基二極管將鉗制負(fù)極側(cè)的電壓。為了確保提供可靠的系統(tǒng)保護(hù)，必須仔細(xì)選擇這些元件。

圖 3：電源開(kāi)關(guān)中故障電流突然中斷引起的電感反沖電壓

TVS 二極管選擇

TVS 二極管旨在保護(hù)電子元件免受電壓峰值的影響。一旦二極管上的電壓超過(guò)雪崩擊穿電勢(shì)，TVS 二極管就開(kāi)始工作。圖 4 是 TVS 二極管的電流 - 電壓曲線(xiàn)圖。

圖 4：TVS 二極管特性

如圖 4 所示，最終鉗位電壓是 TVS 二極管分流的電流及 TVS 二極管動(dòng)態(tài)電阻 (Rd) 的函數(shù)。同樣，動(dòng)態(tài)電阻是二極管封裝尺寸和 TVS 二極管分流電流的持續(xù)時(shí)間 (tP) 的函數(shù)。

例如，SMAJ 二極管 (13.52mm2) 的 Rd高于 SMBJ 二極管 (19.44mm2)，因此在給定的分流電流下，SMAJ 二極管的鉗位電壓會(huì)更高。

使用這些 Rd值來(lái)計(jì)算鉗位電壓，這些值可從 TVS 二極管制造商的數(shù)據(jù)表中獲得。

對(duì)于tp≤ 20μs：

方程式 3

對(duì)于20μs < tp?< 1ms：

方程式 4

對(duì)于tp≥ 1ms：

方程式 5

這種多參數(shù)相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致具有挑戰(zhàn)性的迭代設(shè)計(jì)過(guò)程。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，TI 發(fā)布了一個(gè)用于 TVS 選擇的在線(xiàn)工具。圖 5 以流程圖的形式展示了設(shè)計(jì)方法，而表 1 列出了機(jī)架式服務(wù)器的典型規(guī)范。

圖 5：TVS 二極管選擇流程圖

表 1：典型系統(tǒng)規(guī)范

設(shè)計(jì)步驟

為機(jī)架式服務(wù)器設(shè)計(jì)輸入保護(hù)時(shí)，請(qǐng)從數(shù)據(jù)表中選擇TPS25984B電子保險(xiǎn)絲的支持元件值，然后按照以下設(shè)計(jì)步驟選擇 TVS。首先，選擇反向關(guān)斷電壓等于或大于 VDC_max的單向 TVS。我們選擇了Littlefuse SMDJ12A 二極管作為起點(diǎn)。接下來(lái)，確定 IP，即斷路器電流。然后計(jì)算鉗位電壓。因?yàn)?Rd是 tP的函數(shù)，所以使用方程式 6 查找 tP：

方程式 6

對(duì)于低于 20μs 的脈沖寬度，您可以在 8/20μs 測(cè)試脈沖將動(dòng)態(tài)電阻近似為該值。從SMDJ12A數(shù)據(jù)表中，我們的計(jì)算結(jié)果為：

方程式 7

因此：

方程式 8

現(xiàn)在，使用 14.6mΩ 的 Rd，計(jì)算鉗位電壓：

方程式 9

由于鉗位電壓小于最大可耐受電壓VC(max)（TPS25984B 電子保險(xiǎn)絲的 20V 絕對(duì)最大額定值），因此您可以進(jìn)一步使用SMDJ12A；否則，您必須考慮具有較低 Rd的 TVS 二極管或并聯(lián) TVS 二極管。

使用以下項(xiàng)目計(jì)算峰值功率：

方程式 10

由于SMDJ12A支持 2.5μs 內(nèi) 60kW 的峰值功率（請(qǐng)參閱圖 6），因此您可以進(jìn)一步操作。

現(xiàn)在，使用圖 6 降低額定功率和溫度。75° 支持的最大功率為：

方程式 11

由于 48kW > 3.52kW 且 VC< 20V，因此?SMDJ12A?是此應(yīng)用的理想選擇。

圖 6：峰值脈沖功率額定值（左）和峰值脈沖功率降額曲線(xiàn)（右）

圖 7 展示了TPS25984B 系統(tǒng)上SMDJ12A的鉗位性能。

圖 7：在TPS25984B 電子保險(xiǎn)絲的輸入端使用SMDJ12A 二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)保護(hù)

輸出肖特基二極管選擇

圖 8 展示了當(dāng)使 OUT 引腳低于接地值時(shí)，IC 內(nèi)部可能發(fā)生的一系列事件。寄生 PN 結(jié)二極管開(kāi)始導(dǎo)通，這會(huì)將自由電子注入基板。這些自由電子會(huì)干擾其他控制單元，從而可能使 IC 復(fù)位或?qū)е麻V鎖效應(yīng)事件。通過(guò)寄生 PN 結(jié)二極管的大電流傳導(dǎo)可能會(huì)引起 EOS 并導(dǎo)致 EIPD。

通過(guò)降低 OUT 引腳上的峰值負(fù)電壓或限制通過(guò) OUT 引腳的電流，可以防止這些問(wèn)題。在 OUT 引腳附近添加一個(gè)輸出電容器，可將會(huì)吸收負(fù)電壓峰值中的部分能量，并控制壓擺率以限制峰值負(fù)電壓。在 OUT 引腳上添加一個(gè)低正向電壓肖特基二極管可提供替代電流路徑并限制流經(jīng) IC 的電流。

有效鉗位需要電容器和肖特基二極管的組合。雖然較高輸出電容器很有用，但選擇肖特基二極管時(shí)請(qǐng)遵循以下指導(dǎo)原則：

? 直流阻斷電壓必須大于最大輸入工作電壓。

? 所選二極管的非重復(fù)峰值正向浪涌電流必須大于 IP。

? IP處的正向壓降必須處于 OUT 引腳的絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)（對(duì)于TPS25984B為 –1V）。

在此應(yīng)用中，我們并聯(lián)使用了兩個(gè)Diodes Incorporated生產(chǎn)的SBR10U45SP5 二極管。

圖 8：示意圖展示了將輸出降至接地值以下時(shí) IC 內(nèi)部的后果

圖 9 所示為T(mén)PS25984B解決方案中采用和不采用肖特基二極管時(shí)的輸出鉗位性能。

圖 9：電子保險(xiǎn)絲輸出端的瞬態(tài)保護(hù)

處理高電流熱插拔解決方案時(shí)，次級(jí)保護(hù)（如圖 10 所示）可以最大限度地降低輸出端對(duì)肖特基二極管的要求。如您所見(jiàn)，D1 將吸收負(fù)電壓瞬變中的大部分能量。添加47Ω 等低阻值電阻器 (R1)和SS13 等二極管 (D2)將顯著限制剩余能量。

圖 10：高電流熱插拔解決方案中的次級(jí)保護(hù)

放置和 PCB 注意事項(xiàng)

必須將保護(hù)器件（例如 TVS 二極管、去耦電容器和肖特基二極管）放置在目標(biāo)保護(hù)器件附近。分布式電感限制了分流元件（例如去耦電容器和 TVS 二極管）的效率帶寬。它會(huì)限制浪涌電流，并在鉗位期間導(dǎo)致更大的瞬態(tài)電壓峰值，如圖 11 中所示。因此，布局應(yīng)使這些分流元件具有最小的串聯(lián)阻抗。進(jìn)行布線(xiàn)時(shí)，使用短布線(xiàn)和多個(gè)過(guò)孔以降低電感。

圖 11：相對(duì)于 PCB 布局的 TVS 鉗位性能影響

結(jié)語(yǔ)

分立式前端保護(hù)電路被電子保險(xiǎn)絲等有源電路保護(hù)器件所取代，以提高性能。但是，電子保險(xiǎn)絲通常需要瞬態(tài)保護(hù)來(lái)防止違反其絕對(duì)最大規(guī)格。本文討論的元件選擇指南和布局注意事項(xiàng)可幫助您設(shè)計(jì)解決方案，以確保可靠電源路徑保護(hù)。