开关输入浪涌抑制及优化设计

2018-08-23姚旭升

无线电工程 2018年9期

姚旭升，陈涛

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北石家庄 050081)

0 引言

随着通信、计算机和工业自动化等行业的发展，电源技术也在不断发展。目前,DC-DC变换模块电路应用广泛，各项性能指标比较完善，但在整机设备开关过程中经常会遇到意外的电压瞬变和浪涌，造成整机的故障。故障的主要原因是直流变换电路中的集成芯片等器件的耐压应力有限，在开关瞬间被高压击穿。为了解决设备开关机时的电压浪涌问题，工程上一般采用吸收器件或无源保护电路来抑制电压浪涌[1-3]，其特点是结构简单，电路容易实现，但受器件功率的限制，浪涌抑制电路的功率一般较小[4-5]，若要满足大功率设备的需求，则需要采用有源保护电路。本文以开机浪涌电压抑制为主题展开论述，分析目前常用的DC-DC变换电路中采用吸收器件的解决方案，并提出更高效可靠的有源保护电路方案，通过试验波形验证方案的可行性。最后介绍了2种更灵活的开关选择实用电路，在实际工程中进行了应用。

1 浪涌抑制电路原理与分析

1.1 常规抑制电路原理

由于浪涌电压持续时间有限(几μs～几百ms)[6]，能量有限，因此一般采用吸收器件的方法解决。常用的吸收器件有瞬态抑制二极管(TVS)、压敏电阻和电解电容。

瞬态抑制二极管[7-9]的工作原理和稳压二极管[10]一样，只是其允许的反向电流可以达到几十A，可以吸收瞬间大电流并箝位电压。在正常工作时，瞬态抑制二极管不工作，相当于开路，当电路中出现瞬间高压脉冲时，瞬态抑制二极管将高压脉冲箝位在击穿电压以保护后级电路，当高压脉冲过去后，瞬态抑制二极管又相当于开路。由此可见，瞬态抑制二极管只在有高压脉冲时才会工作，电压正常时其相当于开路，不会损耗功率。

压敏电阻[11-12]是一种具有非线性伏安特性的电压敏感型元件[13]，主要用于在电路承受过压时进行电压箝位，吸收多余的电流以保护后级电路。当其两端的电压高于压敏电压时压敏电阻被导通，其呈现低阻值，甚至接近短路状态；当高于压敏电压的电压去掉以后，它又恢复高阻状态，从而有效地保护了电路中的其他元件不会因过压而损坏。

电解电容[14-15]是电容的一种，在电源电路中，利用电解电容的充放电特性(储能作用)将脉动的直流电压变成相对稳定的直流电压。由于电解电容单位体积的电容量非常大，所以在占用同样空间的情况下大容量的电解电容可以实现吸收电压波动的作用。电解电容在直流电路中的应用非常广泛。TVS管、压敏电阻和电解电容吸收电路的应用如图1所示。

图1 吸收电路应用

由于以上3种器件均为无源器件，虽然可以吸收浪涌电压，但吸收能力有限或吸收后的电压值不能确定，带有很强的随机性，因此提出一种有源电路抑制浪涌电压。

1.2 有源浪涌抑制电路

LT4363是凌特公司推出的具有电流限制功能的高电压浪涌抑制器，该器件为后级电路系统提供了过欠压和过流保护。通过简单地控制一个N沟道MOSFET，就可以有效抑制浪涌电压。其可以对负载端的过流和短路故障做出快速响应，从而能将电流限制在检测电阻设定的安全值上。LT4363具有很宽的工作范围(4～80 V)，有利于在电源表现不佳时形成一个理想屏障，还可以用作宽工作范围热插拔(Hot Swap)控制器。在控制器电源上增设一个简单的箝位电路就可以将保护能力提升至100 V以上，甚至可以耐受达-60 V的反向电压。LT4363吸收电路的原理图如图2所示。

图2 LT4363吸收电路原理

LT4363的pin9和pin10分别是芯片的过压、欠压比较器的输入，通过电阻分压设计电路的过欠压保护点，如果输入电压超出了设置的门限范围，则使pin4脚输出低电平，关闭MOSFET。LT4363在自动重启之前提供了很长的冷却周期，有助于减少故障期间外部MOSFET的耗散功率。通过对pin15脚上电容的充电，可以提供一个可调的故障定时器，也可以限制MOSFET上的功率耗散。pin12脚为故障输出指示脚，对即将发生的断电(由于过压或过流故障状况而引起)提供预警。pin1和pin2为过流保护引脚。通过监测位于输出端上的外部电流检测电阻两端的电压降，压降超过门限值后可以迅速关闭MOSFET，从而避免因过流损坏设备。在过流期间，对pin4引脚电平进行调节以限制流过该电阻的电流。通过提高MOSFET两端的电压可以加快pin15脚的充电速度，这能更快地关断MOSFET。通过控制pin4(GATE)引脚的转换速率可以消除上电期间通过MOSFET传输到输出端的电流尖峰。根据以上介绍可以知道LT4363能够很好地抑制电压浪涌，并可以起到过欠压及短路保护的作用。

2 开关选择电路

对于开关位置的选择，当开关的载流能力满足回路电流时，一般将开关串入主回路的正极上，这样既能够使电路简单又性能可靠，但当回路电流较大时通过这种硬开关的方式会出现开关过程中的浪涌电压问题，为此需要考虑更换开关位置或开关形式。

2.1 无源开关设计

无源开关电路如图3所示。开关电路选择在主回路的正极串入一个P沟道MOSFET，当开关S1断开时，R1和R2不能与地构成回路，P沟道MOSFET的栅极和源极电压均为Vin，则此时VGS=0，P-MOSFET不导通，电压不会从Vin到Vout。当开关S1闭合时，由于电阻R1和R2分压的作用，此时VG

图3 无源开关电路

2.2 有源开关设计

LTC2955是凌特推出的按钮通断控制芯片，可通过一个按钮接口管理1.5～36 V系统电源。LTC2955提供与任选微处理器的简单连接。在微处理器未能对一个中断请求做出响应时，一个可调关断定时器将使用户能够设定按钮必须被持续按压以强制断电所需的时间。

LTC2955提供了具正(LTC2955-1)和负(LTC2955-2)使能极性的版本，本文以LTC2955-2为控制芯片控制电路的通断。控制电路的原理图如图4所示。pin6为芯片的供电输入脚，当供电电压Vin大于20 V时，Vin到pin6脚间增加一个1 kΩ的电阻，pin6到地并一个10 nF的ESR电容。pin2可以作为输入欠压保护引脚使用，其基准为0.8 V，通过R1与R3的分压确定欠压保护点。pin3为可调关断定时器引脚，其断电所需时间与电容的关系为CTMR=0.19*tTMR[μF/s]，本文选择电容为2个0.22 μF进行并联，则关断所需时间为2.3 s，可以防止因误动作导致设备断电。pin7为外接P-MOSFET的驱动引脚，通过一个100 kΩ电阻与P-MOSFET的栅极连接。

图4 LTC2955-2控制的开关电路

根据实际的工程经验，LTC2955-2还可以防止设备误动作，比如设备选择普通常闭开关并用电池供电，当电池电量低时，会存在由于设备功率大导致电池电压拉低至电池保护点以下，此时电池对外无输出，设备关机。由于没有负载电池电压又会升高，电池有输出设备又会开机，设备频繁开关机直到电池电量耗尽，这种状态会造成设备故障。此时若用LTC2955-2作为控制开关电路，则当设备第一次关机后由于没有按开关机按钮，所以设备不会重启，从而对设备进行保护。

3 实例验证

为验证浪涌抑制电路及有源开关电路的有效性及可靠性，分别设计了浪涌抑制电路板及有源开关控制的电路板。浪涌抑制电路板及有源开关控制电路板的PCB布局如图5和图6所示。

图5 浪涌抑制电路板PCB布局

图6 有源开关控制电路板PCB布局

浪涌抑制试验采用程控电源模拟开机时的浪涌电压，正常工作电压为28 V，浪涌电压的幅值为100 V，浪涌持续时间为50 ms，然后恢复正常电压28 V，负载按50 W进行测试。测试波形如图7所示，V1为输入电压，V2为输出电压，从图中可以看出，工作正常时，输入电压为28 V，输出电压也为28 V；当浪涌电压存在时，输出电压被箝位到34 V，当浪涌电压消失后，输出电压恢复到28 V。