反向连接、浪涌钳位以及反向电流保护的防御

作者：Jim Bird 德州仪器
如今的普通工作人员常常身兼装配工和安装工两种工作，这就意味着您的设计（无论好坏）需要简单易用，并需要良好的保护。平心而论，所有技术就摆在那里，而我们大多数人却对技术细节一点都不熟悉。这就是说，我们要继续装配我们的最新环绕音响系统、家庭办公网络，甚至在我们钟爱的汽车中装配最新的信息娱乐系统。在这方面与对功率密度、效率、精确度及小型化等不断增长的需求之间，电源保护向导非常繁忙。
在过去几年里，我目睹了电路保护方案需求的增长，其可针对反向连接、浪涌钳位以及反向电流保护进行防御。这些要求主要针对电压绝对值范围介于 12 至 48V 之间的正极 GND 与负极 GND 两种系统。
那么，这些听起来让人害怕的多元素威胁到底是什么呢？！

• 反向连接代表 DC 电源反接，正极接负极，负极接正极。此外，由适配器供电的系统如果使用的是错误适配器，也会出现反向连接问题；
• 浪涌钳位指的是超过最大负载额定电压的大峰值，通常由杂散电感（电线）以及快速变化的负载电流引起。无论你喜欢与否，Ldi/dt 冲击都会依照物理定律而产生。很多系统在部署前都需要进行特定的浪涌测试；
• 反向电流保护是指防止出现从负载流向电源的错误方向电子。这在冗余电源系统和“生命能量”能量解决方案中需要格外关注。固态硬盘 (SSD) 需要这样的能量实现在 30~40ms 的时间内干净利落地关断。如果这种能量流到了总线而不是支持 SSD 的关断活动，那么它就会丢失数据。
  

目前已经有几款基于试验测试保护开关控制器的简单有效的现成解决方案。
您是否希望您的热插拔设备具有浪涌、反向电流或反向连接保护功能？

为了便于查看和检查，我们已对具体解决方案元件进行了颜色标注。所有的技术细节都在应用手册《LM5069 帮助实现浪涌阻断和反向电压保护》中，但重点内容要在这里概括性地重述一下。
黄色标注 — 反向电流阻断 — 当 VOUT>VIN 时，FET (Q2) 会阻止电流流经隐藏的 Q1 体二极管。当输入电压降到由 R1、R2 和 R3 编程的 UV 电平以下时，电路将自动关断两个 FET。
蓝色标注 — 钳位浪涌 — 从 GATE 引脚到 GND 之间的齐纳二极管可将 VOUT 限定为 VZENER – VTH_FET。与完全关闭电源的简单 0V 保护不同，该款智能齐纳二极管附件会在电压浪涌时继续向负载供电。如果该限制开始对 FET 产生去应激作用，不用担心。内建 FET 安全工作区 (SOA) 保护可防止 FET 毁坏。汽车负载突降浪涌参数通常为 80 至 100V，持续时间为 100ms。
绿色标注 — 反接会出问题！ — 当您把跨接线缆接反时，您最不希望看到的就是车里的重要模块因反向连接而损坏，并因修车而延长出行时间。这些简单的修改会保护所有下游电路免受反向电压的损坏。二极管 D1 能防止 LM5069 在应用反向电压时出现反向偏置。未加电时，LM5069 会将 GATE 拉向 GND，以将其关断，但在反向连接状态下，GND 和 Gate 实际上都是浮动的。为了确保在这种情况下将 GATE 拉为低，应在 GATE 和 VIN（现在，这是电路中的最低电势节点）之间连接 D2 和 R11。
对于需要汽车 Q100 部件的应用，LM5060-Q1 产品说明书中提供了类似的解决方案。