无需隔离二极管就可保护敏感电路免受过压和电源反向连接的影响-电子工程世界

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如果将 24V 电源连到 12V 电路上，会出现什么情况? 如果电源线和地线不小心接反了，能不损坏电路吗? 您的应用是否处于一种严酷的环境，其中输入电源可能振荡到非常高的电压或低于地电位? 即使这些事件不太可能发生，但是只要出现一次，就能损坏电路板了。

可以采取哪些方法来保护敏感电路免受过高、过低甚至负电压的影响? 为了隔离负的电源电压，系统设计师传统上给电源串联一个功率二极管。不过，这个二极管占用了宝贵的电路板空间，并在负载电流很大时，浪费大量功率。

另一种常见的解决方案是给电源串联一个高压 P 沟道 MOSFET。P 沟道 MOSFET 比串联二极管所浪费的功率少，但是 MOSFET 和驱动 MOSFET 所需电路使成本提高了。

这两种解决方案的缺点是，它们都牺牲了以低电源电压工作的机会，尤其是串联二极管。另外，两种解决方案都不能防止受到过高电压的影响，这种保护需要更多电路，包括高压窗口比较器和充电泵。

欠压、过压和电源反向连接保护

LTC4365 是一种独特的解决方案，简要和可靠地保护敏感电路免受不可预测的高或负电源电压所影响。LTC4365 隔离高达 60V 的正电压和低至 -40V 的负电压。只有处于安全工作电源电压范围内的电压才能传递给负载。惟一需要的外部有源组件是一个双 N 沟道 MOSFET，连接在不可预测的电源和敏感负载之间。

图 1 显示了一个完整的应用。电阻分压器设定过压 (OV) 和欠压 (UV) 跳变点，以连接或断开负载与 V_IN的连接。如果输入电源电压变化到这个电压窗口之外，那么 LTC4365 就快速断开负载与电源的连接。

图 1：汽车应用中，完整的 12V 欠压、过压和电源反向连接保护电路

双 N 沟道 MOSFET 在 V_IN 处隔离正和负电压。在正常工作时，LTC4365 为外部 MOSFET的栅极提供 8.4V 增强电压。LTC4365 的有效工作范围为 2.5V 至 34V，过压-欠压窗口可以处于这个范围内的任何地方。就大多数应用而言，在 V_IN 处无需保护性箝位，这进一步简化了电路板设计。

准确和快速的过压和欠压保护

LTC4365 中两个准确 (±1.5%) 的比较器监视 V_IN 处的过压 (OV) 和欠压 (UV) 情况。如果输入电源分别升高至高于 OV 或降低至低于 UV 门限，那么外部 MOSFET 的栅极就被快速关断。外部电阻分压器允许用户选择适合 V_OUT 处负载的输入电源范围。此外，UV 和 OV 输入的漏电流非常低 (在 100°C 时，典型值 < 1nA)，从而允许外部电阻分压器中的高值电阻。

图 2 显示当 V_IN 从 -30V 缓慢上升至 30V 时图 1 电路的反应。UV 和 OV 门限分别设定为 3.5V 和 18V。当电源电压位于 3.5V 至 18V 的窗口内时，V_OUT 跟踪 V_IN。在这个窗口之外，LTC4365 关断 N 沟道 MOSFET，即使 V_IN 为负，也断开 V_OUT 与 V_IN 的连接。

图 2：V_IN从 -30V 上升到 30V 时的负载保护

新颖的电源反向连接保护方法

LTC4365 采用了一种新颖的负电源电压保护电路。当 LTC4365 在 V_IN 处检测到负电压时，它会快速连接 GATE 引脚和 V_IN。在 GATE 引脚和 V_IN 之间没有二极管压降。当外部 N 沟道 MOSFET 的栅极电压为最大负电压 (V_IN) 时，从 V_OUT 到 V_IN 负电压的泄漏最小。

图 3 显示了当 V_IN 被带电接入 -20V 电压时，会发生什么情况。V_IN、V_OUT 和 GATE 在连接建立瞬间从地电位开始变化。由于 V_IN 和 GATE 连接的寄生电感，V_IN 电压和 GATE 引脚在低于 -20V 的电压上明显地振荡。外部 MOSFET 必须具有能承受这种过冲而不被损坏的击穿电压。

图 3：V_IN带电接入 -20V

在负电压瞬态时，GATE 引脚跟随 V_IN 的密切程度决定了 LTC4365 反向连接保护电路的速度。在图中所用比例情况下，两种波形几乎无法区分。注意，无需额外的外部电路来提供反向连接保护。

AC 隔离

LTC4365 有一个恢复延迟定时器，可滤除 V_IN 噪声，并有助于防止 V_OUT 颤动。在 OV 或 UV 故障发生之后 (或当 V_IN 变为负电压时)，输入电源电压必须至少在 36ms 之内返回所希望的工作电压窗口，以重新接通外部 MOSFET。若在不到 36ms 时间内脱离并重新返回故障状态，那么 MOSFET 保持断开状态。

图 4 显示，LTC4365 隔离 40V 至 -40V 的 AC 线电压。在负电压部分，GATE 引脚跟随 V_IN，但当 V_IN 变为正电压时，GATE 引脚仍然保持在地电位。注意，V_OUT 一直不受影响。

图 4：36ms 恢复定时器隔离 28V、60Hz AC 线电压

在故障情况下的高压瞬态

图 5 显示一个测试电路，该电路在过压情况下产生瞬态。标称输入电源为 24V，过压门限为 30V。图 6 显示 V_IN在过压情况下的波形。这些瞬态视 V_IN 和 GATE 引脚上寄生电感的不同而不同。即使在实验中，可选电源箝位 (D1) 未使用，电路仍然能承受这些瞬态而不被损坏。

图 5：在V_IN电感很大时发生 OV 故障

图 6：未使用 TransZorb (TVS) 时，发生 OV 故障时的瞬态

在两个电源之间做出选择

该器件停机时，V_IN 和 V_OUT 引脚可以由两个不同的电源以不同的电压驱动。LTC4365 自动驱动 GATE 引脚至低于两个电源之中较低的电压，从而防止电流从任一方向流过外部 MOSFET。图 7 所示应用使用两个 LTC4365，以在两个电源之间做出选择。应该小心地确保在任意给定时间内两个 LTC4365 中只有一个被启动。

图 7：在两个电源之中选择一个

在V_OUT已加电时，V_IN带电反向接入

甚至在 V_OUT 由单独的电源驱动时，LTC4365 也可防止受到负 V_IN 连接的影响。图 8 显示，当 LTC4365 处于停机模式，V_OUT 加电至 20V，V_IN 带电接入 -20V 电压时的波形。只要不超过外部 MOSFET 的击穿电压 (60V)，那么 V_OUT 端的 20V 电源电压就不受 V_IN 端反向极性连接的影响。

图 8：V_OUT加电时V_IN热插拔 (Hot Swap^TM) 至负电源的波形

结论

LTC4365 控制器保护敏感电路免受过压、欠压和电源反向连接的影响。只要合乎用户可调的 UV 和 OV 跳变门限，那么电源电压就被传递给输出。在这个窗口之外的任何电压都被隔离，窗口电压最高为 60V，最低为 -40V。

LTC4365 采用纤巧的 8 引脚 3mm x 2mm DFN 和 TSOT-23 封装，由于 LTC4365 采用了新颖的架构，所以可提供坚固和小尺寸的解决方案，而且所需的外部组件最少。LTC4365 无需给电源串联反向电压隔离二极管，用背靠背的外部 MOSFET 就可自动执行这一功能。LTC4365 提供 2.5V 至 34V 的宽工作电压范围，在停机时仅消耗 10µA 电流。

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