姚旭升，陳 濤

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著通信、計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)的發(fā)展，電源技術(shù)也在不斷發(fā)展。目前,DC-DC變換模塊電路應(yīng)用廣泛，各項(xiàng)性能指標(biāo)比較完善，但在整機(jī)設(shè)備開(kāi)關(guān)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到意外的電壓瞬變和浪涌，造成整機(jī)的故障。故障的主要原因是直流變換電路中的集成芯片等器件的耐壓應(yīng)力有限，在開(kāi)關(guān)瞬間被高壓擊穿。為了解決設(shè)備開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)的電壓浪涌問(wèn)題，工程上一般采用吸收器件或無(wú)源保護(hù)電路來(lái)抑制電壓浪涌[1-3]，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路容易實(shí)現(xiàn)，但受器件功率的限制，浪涌抑制電路的功率一般較小[4-5]，若要滿(mǎn)足大功率設(shè)備的需求，則需要采用有源保護(hù)電路。本文以開(kāi)機(jī)浪涌電壓抑制為主題展開(kāi)論述，分析目前常用的DC-DC變換電路中采用吸收器件的解決方案，并提出更高效可靠的有源保護(hù)電路方案，通過(guò)試驗(yàn)波形驗(yàn)證方案的可行性。最后介紹了2種更靈活的開(kāi)關(guān)選擇實(shí)用電路，在實(shí)際工程中進(jìn)行了應(yīng)用。

1 浪涌抑制電路原理與分析

1.1 常規(guī)抑制電路原理

由于浪涌電壓持續(xù)時(shí)間有限(幾μs～幾百ms)[6]，能量有限，因此一般采用吸收器件的方法解決。常用的吸收器件有瞬態(tài)抑制二極管(TVS)、壓敏電阻和電解電容。

瞬態(tài)抑制二極管[7-9]的工作原理和穩(wěn)壓二極管[10]一樣，只是其允許的反向電流可以達(dá)到幾十A，可以吸收瞬間大電流并箝位電壓。在正常工作時(shí)，瞬態(tài)抑制二極管不工作，相當(dāng)于開(kāi)路，當(dāng)電路中出現(xiàn)瞬間高壓脈沖時(shí)，瞬態(tài)抑制二極管將高壓脈沖箝位在擊穿電壓以保護(hù)后級(jí)電路，當(dāng)高壓脈沖過(guò)去后，瞬態(tài)抑制二極管又相當(dāng)于開(kāi)路。由此可見(jiàn)，瞬態(tài)抑制二極管只在有高壓脈沖時(shí)才會(huì)工作，電壓正常時(shí)其相當(dāng)于開(kāi)路，不會(huì)損耗功率。

壓敏電阻[11-12]是一種具有非線(xiàn)性伏安特性的電壓敏感型元件[13]，主要用于在電路承受過(guò)壓時(shí)進(jìn)行電壓箝位，吸收多余的電流以保護(hù)后級(jí)電路。當(dāng)其兩端的電壓高于壓敏電壓時(shí)壓敏電阻被導(dǎo)通，其呈現(xiàn)低阻值，甚至接近短路狀態(tài)；當(dāng)高于壓敏電壓的電壓去掉以后，它又恢復(fù)高阻狀態(tài)，從而有效地保護(hù)了電路中的其他元件不會(huì)因過(guò)壓而損壞。

電解電容[14-15]是電容的一種，在電源電路中，利用電解電容的充放電特性(儲(chǔ)能作用)將脈動(dòng)的直流電壓變成相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓。由于電解電容單位體積的電容量非常大，所以在占用同樣空間的情況下大容量的電解電容可以實(shí)現(xiàn)吸收電壓波動(dòng)的作用。電解電容在直流電路中的應(yīng)用非常廣泛。TVS管、壓敏電阻和電解電容吸收電路的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 吸收電路應(yīng)用

由于以上3種器件均為無(wú)源器件，雖然可以吸收浪涌電壓，但吸收能力有限或吸收后的電壓值不能確定，帶有很強(qiáng)的隨機(jī)性，因此提出一種有源電路抑制浪涌電壓。

1.2 有源浪涌抑制電路

LT4363是凌特公司推出的具有電流限制功能的高電壓浪涌抑制器，該器件為后級(jí)電路系統(tǒng)提供了過(guò)欠壓和過(guò)流保護(hù)。通過(guò)簡(jiǎn)單地控制一個(gè)N溝道MOSFET，就可以有效抑制浪涌電壓。其可以對(duì)負(fù)載端的過(guò)流和短路故障做出快速響應(yīng)，從而能將電流限制在檢測(cè)電阻設(shè)定的安全值上。LT4363具有很寬的工作范圍(4～80 V)，有利于在電源表現(xiàn)不佳時(shí)形成一個(gè)理想屏障，還可以用作寬工作范圍熱插拔(Hot Swap)控制器。在控制器電源上增設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的箝位電路就可以將保護(hù)能力提升至100 V以上，甚至可以耐受達(dá)-60 V的反向電壓。LT4363吸收電路的原理圖如圖2所示。

圖2 LT4363吸收電路原理

LT4363的pin9和pin10分別是芯片的過(guò)壓、欠壓比較器的輸入，通過(guò)電阻分壓設(shè)計(jì)電路的過(guò)欠壓保護(hù)點(diǎn)，如果輸入電壓超出了設(shè)置的門(mén)限范圍，則使pin4腳輸出低電平，關(guān)閉MOSFET。LT4363在自動(dòng)重啟之前提供了很長(zhǎng)的冷卻周期，有助于減少故障期間外部MOSFET的耗散功率。通過(guò)對(duì)pin15腳上電容的充電，可以提供一個(gè)可調(diào)的故障定時(shí)器，也可以限制MOSFET上的功率耗散。pin12腳為故障輸出指示腳，對(duì)即將發(fā)生的斷電(由于過(guò)壓或過(guò)流故障狀況而引起)提供預(yù)警。pin1和pin2為過(guò)流保護(hù)引腳。通過(guò)監(jiān)測(cè)位于輸出端上的外部電流檢測(cè)電阻兩端的電壓降，壓降超過(guò)門(mén)限值后可以迅速關(guān)閉MOSFET，從而避免因過(guò)流損壞設(shè)備。在過(guò)流期間，對(duì)pin4引腳電平進(jìn)行調(diào)節(jié)以限制流過(guò)該電阻的電流。通過(guò)提高M(jìn)OSFET兩端的電壓可以加快pin15腳的充電速度，這能更快地關(guān)斷MOSFET。通過(guò)控制pin4(GATE)引腳的轉(zhuǎn)換速率可以消除上電期間通過(guò)MOSFET傳輸?shù)捷敵龆说碾娏骷夥濉８鶕?jù)以上介紹可以知道LT4363能夠很好地抑制電壓浪涌，并可以起到過(guò)欠壓及短路保護(hù)的作用。

2 開(kāi)關(guān)選擇電路

對(duì)于開(kāi)關(guān)位置的選擇，當(dāng)開(kāi)關(guān)的載流能力滿(mǎn)足回路電流時(shí)，一般將開(kāi)關(guān)串入主回路的正極上，這樣既能夠使電路簡(jiǎn)單又性能可靠，但當(dāng)回路電流較大時(shí)通過(guò)這種硬開(kāi)關(guān)的方式會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)過(guò)程中的浪涌電壓?jiǎn)栴}，為此需要考慮更換開(kāi)關(guān)位置或開(kāi)關(guān)形式。

2.1 無(wú)源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

無(wú)源開(kāi)關(guān)電路如圖3所示。開(kāi)關(guān)電路選擇在主回路的正極串入一個(gè)P溝道MOSFET，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)，R1和R2不能與地構(gòu)成回路，P溝道MOSFET的柵極和源極電壓均為Vin，則此時(shí)VGS=0，P-MOSFET不導(dǎo)通，電壓不會(huì)從Vin到Vout。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)，由于電阻R1和R2分壓的作用，此時(shí)VG

圖3 無(wú)源開(kāi)關(guān)電路

2.2 有源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

LTC2955是凌特推出的按鈕通斷控制芯片，可通過(guò)一個(gè)按鈕接口管理1.5～36 V系統(tǒng)電源。LTC2955提供與任選微處理器的簡(jiǎn)單連接。在微處理器未能對(duì)一個(gè)中斷請(qǐng)求做出響應(yīng)時(shí)，一個(gè)可調(diào)關(guān)斷定時(shí)器將使用戶(hù)能夠設(shè)定按鈕必須被持續(xù)按壓以強(qiáng)制斷電所需的時(shí)間。

LTC2955提供了具正(LTC2955-1)和負(fù)(LTC2955-2)使能極性的版本，本文以L(fǎng)TC2955-2為控制芯片控制電路的通斷?？刂齐娐返脑韴D如圖4所示。pin6為芯片的供電輸入腳，當(dāng)供電電壓Vin大于20 V時(shí)，Vin到pin6腳間增加一個(gè)1 kΩ的電阻，pin6到地并一個(gè)10 nF的ESR電容。pin2可以作為輸入欠壓保護(hù)引腳使用，其基準(zhǔn)為0.8 V，通過(guò)R1與R3的分壓確定欠壓保護(hù)點(diǎn)。pin3為可調(diào)關(guān)斷定時(shí)器引腳，其斷電所需時(shí)間與電容的關(guān)系為CTMR=0.19*tTMR[μF/s]，本文選擇電容為2個(gè)0.22 μF進(jìn)行并聯(lián)，則關(guān)斷所需時(shí)間為2.3 s，可以防止因誤動(dòng)作導(dǎo)致設(shè)備斷電。pin7為外接P-MOSFET的驅(qū)動(dòng)引腳，通過(guò)一個(gè)100 kΩ電阻與P-MOSFET的柵極連接。

圖4 LTC2955-2控制的開(kāi)關(guān)電路

根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，LTC2955-2還可以防止設(shè)備誤動(dòng)作，比如設(shè)備選擇普通常閉開(kāi)關(guān)并用電池供電，當(dāng)電池電量低時(shí)，會(huì)存在由于設(shè)備功率大導(dǎo)致電池電壓拉低至電池保護(hù)點(diǎn)以下，此時(shí)電池對(duì)外無(wú)輸出，設(shè)備關(guān)機(jī)。由于沒(méi)有負(fù)載電池電壓又會(huì)升高，電池有輸出設(shè)備又會(huì)開(kāi)機(jī)，設(shè)備頻繁開(kāi)關(guān)機(jī)直到電池電量耗盡，這種狀態(tài)會(huì)造成設(shè)備故障。此時(shí)若用LTC2955-2作為控制開(kāi)關(guān)電路，則當(dāng)設(shè)備第一次關(guān)機(jī)后由于沒(méi)有按開(kāi)關(guān)機(jī)按鈕，所以設(shè)備不會(huì)重啟，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

3 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證浪涌抑制電路及有源開(kāi)關(guān)電路的有效性及可靠性，分別設(shè)計(jì)了浪涌抑制電路板及有源開(kāi)關(guān)控制的電路板。浪涌抑制電路板及有源開(kāi)關(guān)控制電路板的PCB布局如圖5和圖6所示。

圖5 浪涌抑制電路板PCB布局

圖6 有源開(kāi)關(guān)控制電路板PCB布局

浪涌抑制試驗(yàn)采用程控電源模擬開(kāi)機(jī)時(shí)的浪涌電壓，正常工作電壓為28 V，浪涌電壓的幅值為100 V，浪涌持續(xù)時(shí)間為50 ms，然后恢復(fù)正常電壓28 V，負(fù)載按50 W進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試波形如圖7所示，V1為輸入電壓，V2為輸出電壓，從圖中可以看出，工作正常時(shí)，輸入電壓為28 V，輸出電壓也為28 V；當(dāng)浪涌電壓存在時(shí)，輸出電壓被箝位到34 V，當(dāng)浪涌電壓消失后，輸出電壓恢復(fù)到28 V。

圖7 浪涌電壓時(shí)電壓波形

浪涌抑制電路可以有效地抑制開(kāi)機(jī)及電源故障時(shí)的電壓波動(dòng)，將超出電壓箝位到設(shè)定的安全電壓值，以保護(hù)后級(jí)設(shè)備不會(huì)被浪涌電壓沖擊損壞。有源開(kāi)關(guān)控制電路已經(jīng)在某項(xiàng)目中進(jìn)行了使用，解決了開(kāi)機(jī)及電池電量低時(shí)的重啟問(wèn)題，波形不再重述。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著設(shè)備類(lèi)型越來(lái)越多，設(shè)備在開(kāi)關(guān)機(jī)及負(fù)載突變時(shí)出現(xiàn)電壓浪涌的情況越來(lái)越多，本文介紹的浪涌抑制電路在中小功率場(chǎng)合具有較高的實(shí)用價(jià)值。采用控制P-MOSFET的通斷來(lái)控制主回路的開(kāi)關(guān)方案也有很強(qiáng)的實(shí)用性，能夠?qū)υO(shè)備開(kāi)關(guān)選型更加靈活。