開關輸入浪涌抑制及優化設計

姚旭升，陳 濤

(衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著通信、計算機和工業自動化等行業的發展，電源技術也在不斷發展。目前,DC-DC變換模塊電路應用廣泛，各項性能指標比較完善，但在整機設備開關過程中經常會遇到意外的電壓瞬變和浪涌，造成整機的故障。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力有限，在開關瞬間被高壓擊穿。為了解決設備開關機時的電壓浪涌問題，工程上一般采用吸收器件或無源保護電路來抑制電壓浪涌[1-3]，其特點是結構簡單，電路容易實現，但受器件功率的限制，浪涌抑制電路的功率一般較小[4-5]，若要滿足大功率設備的需求，則需要采用有源保護電路。本文以開機浪涌電壓抑制為主題展開論述，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電路方案，通過試驗波形驗證方案的可行性。最后介紹了2種更靈活的開關選擇實用電路，在實際工程中進行了應用。

1 浪涌抑制電路原理與分析

1.1 常規抑制電路原理

由于浪涌電壓持續時間有限(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抑制二極管(TVS)、壓敏電阻和電解電容。

瞬態抑制二極管[7-9]的工作原理和穩壓二極管[10]一樣，只是其允許的反向電流可以達到幾十A，可以吸收瞬間大電流并箝位電壓。在正常工作時，瞬態抑制二極管不工作，相當于開路，當電路中出現瞬間高壓脈沖時，瞬態抑制二極管將高壓脈沖箝位在擊穿電壓以保護后級電路，當高壓脈沖過去后，瞬態抑制二極管又相當于開路。由此可見，瞬態抑制二極管只在有高壓脈沖時才會工作，電壓正常時其相當于開路，不會損耗功率。

壓敏電阻[11-12]是一種具有非線性伏安特性的電壓敏感型元件[13]，主要用于在電路承受過壓時進行電壓箝位，吸收多余的電流以保護后級電路。當其兩端的電壓高于壓敏電壓時壓敏電阻被導通，其呈現低阻值，甚至接近短路狀態；當高于壓敏電壓的電壓去掉以后，它又恢復高阻狀態，從而有效地保護了電路中的其他元件不會因過壓而損壞。

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(儲能作用)將脈動的直流電壓變成相對穩定的直流電壓。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現吸收電壓波動的作用。電解電容在直流電路中的應用非常廣泛。TVS管、壓敏電阻和電解電容吸收電路的應用如圖1所示。

圖1 吸收電路應用

由于以上3種器件均為無源器件，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，帶有很強的隨機性，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，該器件為后級電路系統提供了過欠壓和過流保護。通過簡單地控制一個N溝道MOSFET，就可以有效抑制浪涌電壓。其可以對負載端的過流和短路故障做出快速響應，從而能將電流限制在檢測電阻設定的安全值上。LT4363具有很寬的工作范圍(4～80 V)，有利于在電源表現不佳時形成一個理想屏障，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一個簡單的箝位電路就可以將保護能力提升至100 V以上，甚至可以耐受達-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分別是芯片的過壓、欠壓比較器的輸入，通過電阻分壓設計電路的過欠壓保護點，如果輸入電壓超出了設置的門限范圍，則使pin4腳輸出低電平，關閉MOSFET。LT4363在自動重啟之前提供了很長的冷卻周期，有助于減少故障期間外部MOSFET的耗散功率。通過對pin15腳上電容的充電，可以提供一個可調的故障定時器，也可以限制MOSFET上的功率耗散。pin12腳為故障輸出指示腳，對即將發生的斷電(由于過壓或過流故障狀況而引起)提供預警。pin1和pin2為過流保護引腳。通過監測位于輸出端上的外部電流檢測電阻兩端的電壓降，壓降超過門限值后可以迅速關閉MOSFET，從而避免因過流損壞設備。在過流期間，對pin4引腳電平進行調節以限制流過該電阻的電流。通過提高MOSFET兩端的電壓可以加快pin15腳的充電速度，這能更快地關斷MOSFET。通過控制pin4(GATE)引腳的轉換速率可以消除上電期間通過MOSFET傳輸到輸出端的電流尖峰。根據以上介紹可以知道LT4363能夠很好地抑制電壓浪涌，并可以起到過欠壓及短路保護的作用。

2 開關選擇電路

對于開關位置的選擇，當開關的載流能力滿足回路電流時，一般將開關串入主回路的正極上，這樣既能夠使電路簡單又性能可靠，但當回路電流較大時通過這種硬開關的方式會出現開關過程中的浪涌電壓問題，為此需要考慮更換開關位置或開關形式。

2.1 無源開關設計

無源開關電路如圖3所示。開關電路選擇在主回路的正極串入一個P溝道MOSFET，當開關S1斷開時，R1和R2不能與地構成回路，P溝道MOSFET的柵極和源極電壓均為Vin，則此時VGS=0，P-MOSFET不導通，電壓不會從Vin到Vout。當開關S1閉合時，由于電阻R1和R2分壓的作用，此時VG

圖3 無源開關電路

2.2 有源開關設計

LTC2955是凌特推出的按鈕通斷控制芯片，可通過一個按鈕接口管理1.5～36 V系統電源。LTC2955提供與任選微處理器的簡單連接。在微處理器未能對一個中斷請求做出響應時，一個可調關斷定時器將使用戶能夠設定按鈕必須被持續按壓以強制斷電所需的時間。

LTC2955提供了具正(LTC2955-1)和負(LTC2955-2)使能極性的版本，本文以LTC2955-2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，當供電電壓Vin大于20 V時，Vin到pin6腳間增加一個1 kΩ的電阻，pin6到地并一個10 nF的ESR電容。pin2可以作為輸入欠壓保護引腳使用，其基準為0.8 V，通過R1與R3的分壓確定欠壓保護點。pin3為可調關斷定時器引腳，其斷電所需時間與電容的關系為CTMR=0.19*tTMR[μF/s]，本文選擇電容為2個0.22 μF進行并聯，則關斷所需時間為2.3 s，可以防止因誤動作導致設備斷電。pin7為外接P-MOSFET的驅動引腳，通過一個100 kΩ電阻與P-MOSFET的柵極連接。

圖4 LTC2955-2控制的開關電路

根據實際的工程經驗，LTC2955-2還可以防止設備誤動作，比如設備選擇普通常閉開關并用電池供電，當電池電量低時，會存在由于設備功率大導致電池電壓拉低至電池保護點以下，此時電池對外無輸出，設備關機。由于沒有負載電池電壓又會升高，電池有輸出設備又會開機，設備頻繁開關機直到電池電量耗盡，這種狀態會造成設備故障。此時若用LTC2955-2作為控制開關電路，則當設備第一次關機后由于沒有按開關機按鈕，所以設備不會重啟，從而對設備進行保護。

3 實例驗證

為驗證浪涌抑制電路及有源開關電路的有效性及可靠性，分別設計了浪涌抑制電路板及有源開關控制的電路板。浪涌抑制電路板及有源開關控制電路板的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 有源開關控制電路板PCB布局

浪涌抑制試驗采用程控電源模擬開機時的浪涌電壓，正常工作電壓為28 V，浪涌電壓的幅值為100 V，浪涌持續時間為50 ms，然后恢復正常電壓28 V，負載按50 W進行測試。測試波形如圖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，輸入電壓為28 V，輸出電壓也為28 V；當浪涌電壓存在時，輸出電壓被箝位到34 V，當浪涌電壓消失后，輸出電壓恢復到28 V。

圖7 浪涌電壓時電壓波形

浪涌抑制電路可以有效地抑制開機及電源故障時的電壓波動，將超出電壓箝位到設定的安全電壓值，以保護后級設備不會被浪涌電壓沖擊損壞。有源開關控制電路已經在某項目中進行了使用，解決了開機及電池電量低時的重啟問題，波形不再重述。

4 結束語

隨著設備類型越來越多，設備在開關機及負載突變時出現電壓浪涌的情況越來越多，本文介紹的浪涌抑制電路在中小功率場合具有較高的實用價值。采用控制P-MOSFET的通斷來控制主回路的開關方案也有很強的實用性，能夠對設備開關選型更加靈活。