LT4356MP-1/LT4356MP-2浪涌抑制器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用詳解

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。浪涌和過流等異常情況可能會(huì)對設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，因此需要可靠的保護(hù)電路。LT4356MP-1/LT4356MP-2浪涌抑制器就是這樣一款專為應(yīng)對這些問題而設(shè)計(jì)的器件，下面將對其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

文件下載：LT4356MP-2.pdf

一、特性與優(yōu)勢

1. 多功能保護(hù)

• 過壓保護(hù)：能夠阻止高壓浪涌，可調(diào)節(jié)輸出鉗位電壓，在過壓事件（如汽車負(fù)載突降）時(shí)，通過控制外部N溝道MOSFET的柵極來調(diào)節(jié)輸出電壓，將輸出限制在安全值，確保負(fù)載繼續(xù)正常工作。
• 過流保護(hù)：通過監(jiān)測VCC和SNS引腳之間的電壓降來檢測過流故障，內(nèi)部放大器將電流檢測電壓限制在50mV。
• 反向輸入保護(hù)：可承受-60V的反向輸入電壓，使用背對背的FET可替代肖特基二極管實(shí)現(xiàn)反向輸入保護(hù)，減少電壓降和功率損耗。

2. 寬工作范圍與低功耗

• 工作電壓范圍為4V至80V，低至4V的電源要求使其能在汽車?yán)鋯?dòng)等低電壓條件下正常工作。
• 關(guān)機(jī)電流低，LT4356-1在關(guān)機(jī)模式下電流僅為7μA，LT4356-2在關(guān)機(jī)模式下電流為60μA且輔助放大器可繼續(xù)工作。

3. 其他特性

• 可調(diào)故障定時(shí)器：通過在TMR引腳連接電容來設(shè)置MOSFET關(guān)斷前的延遲時(shí)間和故障消失后的冷卻時(shí)間，定時(shí)器周期隨MOSFET兩端的電壓變化，確保MOSFET在安全工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。
• 輔助放大器：可用于電平檢測比較器或線性穩(wěn)壓器控制器，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。
• 多種封裝形式：提供10引腳MSOP或16引腳SO封裝，方便不同應(yīng)用場景的選擇。

二、工作原理

1. 正常工作狀態(tài)

正常情況下，功率晶體管（N溝道MOSFET）完全導(dǎo)通，以極小的電壓降為負(fù)載供電。內(nèi)部電荷泵開啟N溝道MOSFET，以極低的功率損耗為負(fù)載提供電流。

2. 過壓保護(hù)機(jī)制

當(dāng)電源電壓過高時(shí)，電壓放大器（VA）控制MOSFET的柵極，將源極引腳的電壓調(diào)節(jié)到由外部電阻分壓器和內(nèi)部1.25V參考電壓設(shè)定的水平。同時(shí)，電流源開始對連接在TMR引腳的電容充電。當(dāng)TMR引腳電壓達(dá)到1.25V時(shí)，F(xiàn)LT引腳拉低，指示即將因過壓而關(guān)斷；當(dāng)TMR引腳達(dá)到1.35V時(shí)，GATE引腳拉低，關(guān)閉MOSFET。過壓情況消失后，TMR引腳電壓開始下降，當(dāng)降至0.5V時(shí)，GATE引腳開始拉高，重新開啟MOSFET。

3. 過流保護(hù)機(jī)制

過流事件發(fā)生時(shí)，監(jiān)測VCC和SNS引腳之間可選檢測電阻兩端的電壓，有源電流限制電路（IA）控制GATE引腳，將檢測電壓限制在50mV。同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電流對TMR引腳充電，該電流約為過壓事件時(shí)的5倍。當(dāng)TMR引腳電壓達(dá)到1.25V時(shí)，F(xiàn)LT引腳拉低；達(dá)到1.35V時(shí)，GATE引腳立即拉低，關(guān)閉MOSFET。故障消失并經(jīng)過冷卻期后，GATE引腳再次拉高，開啟功率晶體管。

三、應(yīng)用信息

1. 故障定時(shí)器

故障定時(shí)器是LT4356的重要特性之一，通過在TMR引腳連接電容來設(shè)置MOSFET關(guān)斷前的延遲時(shí)間和故障消失后的冷卻時(shí)間。定時(shí)器電流隨功率MOSFET漏源兩端的電壓（VDS）變化，在過壓故障時(shí)，VDS為0.5V或更低時(shí)定時(shí)器電流約為2μA，VDS為75V時(shí)增加到50μA；過流故障時(shí)，VDS為0.5V或更低時(shí)定時(shí)器電流為4μA，VDS為80V時(shí)增加到260μA。當(dāng)TMR引腳電壓達(dá)到1.25V時(shí)，F(xiàn)LT引腳拉低，提供故障預(yù)警；達(dá)到1.35V時(shí)，MOSFET關(guān)閉。故障消失后，2μA的電流開始對定時(shí)器電容放電，當(dāng)TMR引腳電壓降至0.5V時(shí)，內(nèi)部電荷泵拉高GATE引腳，開啟MOSFET。

2. MOSFET選擇

• 耐壓能力：MOSFET的最大允許漏源電壓必須高于電源電壓，以確保在輸出短路或過壓事件時(shí)能承受全部電源電壓。
• 柵極驅(qū)動(dòng)要求：對于VCC高于8V的應(yīng)用，MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)保證在10V至16V之間，可使用標(biāo)準(zhǔn)閾值電壓的N溝道MOSFET；對于VCC低于8V的系統(tǒng)，需要邏輯電平MOSFET，因?yàn)闁艠O驅(qū)動(dòng)可能低至4.5V。
• 安全工作區(qū)域（SOA）：MOSFET的SOA必須涵蓋所有故障條件，在過壓或過流故障時(shí)，MOSFET兩端可能同時(shí)存在大電流和高電壓降，因此需要仔細(xì)考慮SOA曲線并結(jié)合故障定時(shí)器電容的選擇。

3. 瞬態(tài)應(yīng)力計(jì)算

為了選擇適合特定應(yīng)用的MOSFET，需要計(jì)算每個(gè)輸入瞬態(tài)的SOA應(yīng)力。對于典型的瞬態(tài)波形，可使用公式(P^{2}t = I{LOAD}^{2}[frac{1}{3}t{r}frac{(b - a)^{3}}+frac{1}{2}tau(2a^{2}lnfrac{a}+3a^{2}+b^{2}-4ab)])計(jì)算(P^{2}t)，其中(a = V{REG}-V{IN})，(b = V{PK}-V{IN})。通常情況下，(V{REG}≈V{IN})且(tau gg t{r})，公式可簡化為(P^{2}t=frac{1}{2}I{LOAD}^{2}(V{PK}-V{REG})^{2}tau)。對于短路條件，(P^{2}t=(V{IN}cdotDelta V{SNS}/R{SNS})^{2}cdot t{TMR})。

4. 其他應(yīng)用考慮

• 輔助放大器應(yīng)用：可作為電平檢測比較器或低 dropout線性穩(wěn)壓器控制器。在關(guān)機(jī)模式下，LT4356-1的輔助放大器關(guān)閉，而LT4356-2的輔助放大器繼續(xù)工作。
• 反向輸入保護(hù)：使用背對背的MOSFET替代串聯(lián)肖特基二極管，提高效率并增加冷啟動(dòng)時(shí)負(fù)載電路的可用電源電壓。
• 關(guān)機(jī)功能：通過將SHDN引腳電壓拉低至0.6V以下，可將LT4356置于低電流模式，LT4356-1的靜態(tài)電流降至7μA，LT4356-2的靜態(tài)電流降至60μA且輔助放大器保持開啟。
• 電源瞬態(tài)保護(hù)：為防止電壓瞬變超過100V對器件造成永久性損壞，應(yīng)盡量減小電源走線的寄生電感，可使用寬走線，并在輸入端添加小的浪涌抑制器來鉗位電壓尖峰。

四、設(shè)計(jì)示例

以一個(gè)應(yīng)用為例，其規(guī)格為：(V{CC}=8V)至14V DC，瞬態(tài)電壓高達(dá)80V，(V{OUT}≤16V)，電流限制（(I_{LIM})）為5A，低電池檢測電壓為6V，過壓預(yù)警時(shí)間為1ms。

1. 計(jì)算電阻分壓器值

為了在過壓事件時(shí)將(V{OUT})限制在16V，根據(jù)公式(V{REG}=frac{1.25Vcdot(R1 + R2)}{R2}=16V)，并設(shè)定過壓條件下通過R1和R2的電流為250μA，可計(jì)算出(R2=frac{1.25V}{250mu A}=5k)，選擇4.99k的標(biāo)準(zhǔn)電阻；(R1=frac{(16V - 1.25V)cdot R2}{1.25V}=58.88k)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值59k。

2. 計(jì)算檢測電阻值

根據(jù)公式(R{SNS}=frac{50mV}{I{LIM}}=frac{50mV}{5A}=10mOmega)，確定檢測電阻值為10mΩ。

3. 選擇TMR電容

為了實(shí)現(xiàn)1ms的過壓預(yù)警時(shí)間，根據(jù)公式(C_{TMR}=frac{1mscdot5mu A}{100mV}=50nF)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值47nF。

4. 計(jì)算低電池閾值檢測電阻

根據(jù)公式(6V=frac{1.25Vcdot(R4 + R5)}{R5})，選擇(R5 = 100k)，則(R4=frac{(6V - 1.25V)cdot R5}{1.25V}=380k)，選擇383k的電阻。

5. MOSFET選擇

選擇能夠承受(V{CC}=14V)輸出短路條件的MOSFET，如IRLR2908。計(jì)算總過流故障時(shí)間(t{OC}=frac{47nFcdot0.85V}{45.5mu A}=0.878ms)，功率晶體管上的功率耗散(P=frac{14Vcdot50mV}{10mOmega}=70W)，這些條件均在IRLR2908的安全工作區(qū)域內(nèi)。

五、典型應(yīng)用

1. 寬輸入范圍熱插拔應(yīng)用

適用于輸入電壓范圍為5V至28V的熱插拔場景，可實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定功能，確保系統(tǒng)在電壓異常時(shí)的安全性。

2. 過壓調(diào)節(jié)器應(yīng)用

可用于不同電壓等級的過壓調(diào)節(jié)，如24V輸入、32V鉗位輸出的過壓調(diào)節(jié)器，能夠承受高達(dá)150V的輸入瞬態(tài)電壓。

3. 帶欠壓鎖定和低電池檢測的過壓調(diào)節(jié)器

在過壓保護(hù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定和低電池檢測功能，并且在關(guān)機(jī)時(shí)可保持輸出。

4. 熱插拔與過壓輸出調(diào)節(jié)應(yīng)用

適用于48V或28V的熱插拔場景，可實(shí)現(xiàn)過壓輸出調(diào)節(jié)和欠壓關(guān)機(jī)功能。

5. 帶反向輸入保護(hù)的過壓調(diào)節(jié)器

可承受高達(dá)-80V的反向輸入電壓，通過背對背的MOSFET實(shí)現(xiàn)反向輸入保護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性。

六、總結(jié)

LT4356MP-1/LT4356MP-2浪涌抑制器是一款功能強(qiáng)大、性能可靠的電源保護(hù)器件，具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、反向輸入保護(hù)等多種功能，寬工作范圍和低功耗特性使其適用于各種汽車、航空電子等應(yīng)用場景。通過合理選擇MOSFET、設(shè)置故障定時(shí)器和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮其性能，確保電子設(shè)備在復(fù)雜的電源環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，綜合考慮各項(xiàng)參數(shù)和特性，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能和可靠性。你在使用這款器件時(shí)遇到過哪些問題呢？或者對于電源保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，你有什么獨(dú)特的見解嗎？歡迎在評論區(qū)分享交流。