保護電路是現代電子產品的無名英雄。無論是何種應用，從交流線路到數字負載的長電鏈都穿插著各種尺寸和形狀的保險絲和瞬態電壓抑制器。沿著電氣路徑，電氣壓力源（例如存儲電容器引起的浪涌電流、接線錯誤或斷電引起的反向電流、感應負載開關或閃電引起的過壓和欠壓）可能會損壞寶貴的電子負載。對于采用脆弱的亞微米和低壓技術構建的微處理器和存儲器而言，情況就是如此。就像士兵建造堡壘墻一樣，有必要在負載周圍建立一個保護周邊，以處理這些潛在的災難性事件。

保護電子設備必須在其電壓和電流額定值范圍內處理過壓/欠壓、過流和反向電流等故障條件。如果預期電壓浪涌超過此處討論的保護電子設備額定值，則可以添加額外的保護層，以濾波器和瞬態電壓抑制 （TVS） 設備的形式。

圖 1顯示了圍繞智能負載（例如微處理器）的典型系統保護方案。DC-DC 轉換器——配有控制 （IC 2 ）、同步整流 MOSFET （T 3、T 4 ） 和相關的本征二極管 （D 3、D 4 ），以及輸入和輸出濾波電容器 （C IN ， C OUT ）—為微處理器或 PLC 供電。來自 24V 電源總線 （V BUS ） 的電壓浪涌，如果直接連接到 V IN，將對 DC-DC 轉換器及其負載造成災難性后果。出于這個原因，前端電子保護是必要的。在這里，保護是通過一個控制器 （IC 1 ） 實現的，該控制器驅動兩個分立的 MOSFET，T 1和 T 2。

圖 1. 典型電子系統和保護

過壓保護

根據 DC-DC 轉換器的最大工作電壓（圖 2 中的 CONTROL IC 2），保護器 IC 本質上由一個 MOSFET 開關 （T 2 ） 組成，該開關在此工作范圍內接近而在其之上打開。相關的本征二極管 D 2在過壓的情況下被反向偏置并且不起任何作用。在這種情況下，T 1 /D 1的存在也無關緊要，T 1完全“開啟”。

過流保護

即使輸入電壓被限制在允許的工作范圍內，問題仍然存在。向上的電壓波動會產生高 CdV/dt 浪涌電流，可能會燒斷保險絲（圖 2）、燒毀 PCB 走線或使系統過熱，從而降低其可靠性。因此，保護IC必須配備限流機制。

圖 2. 熔斷保險絲

反向電流保護

MOSFET 在漏極和源極之間的本征二極管在 MOSFET “導通”時反向偏置，而在 MOSFET 電壓極性反轉時正向偏置。由此可見，T 2本身不能阻擋負輸入電壓。這些可能會意外發生，例如，在負瞬態或斷電期間，當輸入電壓（圖 1 中的V BUS ）低或不存在時，DC-DC 轉換器輸入電容器（C IN）通過本征二極管 D 2。為了阻止反向電流，有必要將晶體管 T 1與其固有二極管 D 1放置在一起反對負電流。然而，結果是成本高昂的兩個 MOSFET 的背靠背配置，其固有二極管反向偏置。

集成背靠背 MOSFET

如果使用分立 MOSFET（如圖 1 所示），則背靠背配置的需求是顯而易見的，而如果保護是單片的，即當控制電路和 MOSFET 集成在單個 IC 中時，則不太明顯。許多配備反向電流保護的集成保護 IC 使用單個 MOSFET，并額外注意將器件體二極管切換到反向偏置，無論 MOSFET 極化如何。這種實施方式適用于 5V MOSFET，其源極和漏極具有對稱結構。源體和漏體最大工作電壓相同。在我們的例子中，高壓 MOSFET 不是對稱的，只有漏極被設計成能承受相對于體的高壓。高壓 MOSFET 的布局更為關鍵，具有優化 R 的 HV MOSFETDS（ON）僅在源與身體短路的情況下提供。歸根結底，高壓 （》 5V） 集成解決方案也必須采用背靠背配置。

在電機驅動器應用中，直流電機電流由 MOSFET 橋驅動器進行 PWM 控制。在 PWM 控制周期的關斷部分，電流再循環回輸入電容，有效地實現了能量回收方案。在這種情況下，不需要反向電流保護。

傳統離散解決方案

圖 3說明了在 PC 板面積和材料清單 （BOM） 方面，使用類似于圖 2 中的分立實現的高成本（24V IN，-60V 至 +60V 保護）。PCB 面積高達 70 平方毫米。

圖 3. 具有更大 PCB 面積 （70mm 2 ）的傳統分立式保護

綜合解決方案

圖 4顯示了將控制和功率 MOSFET 集成在同一 IC 中的優勢，該 IC 采用 3mm x 3mm TDFN-EP 封裝。在這種情況下，PCB 面積占用減少到分立解決方案的大約 40% （28mm 2 ）。

圖 4 減少 PCB 面積 （28mm 2 ）的集成保護

綜合保護系列

MAX17608 –MAX17610系列可調節過壓和過流保護器件提供了這種集成解決方案的示例。它具有一個低 210mΩ 導通電阻集成 FET 對，如圖 5所示。

圖 5. MAX17608/MAX17609 過壓/過流保護器件框圖

這些器件可保護下游電路免受高達 ±60V 的正負輸入電壓故障的影響。過壓鎖定閾值 （OVLO） 可通過可選的外部電阻器調節至 5.5V 至 60V 之間的任何電壓（圖 6）。它們具有高達 1A 的可編程限流保護。MAX17608和MAX17610阻止電流反向流動，而MAX17609允許電流反向流動。這些器件還具有針對內部過熱的熱關斷保護功能。它們采用小型 12 引腳 （3mm x 3mm） TDFN-EP 封裝。這些器件在 -40°C 至 +125°C 擴展溫度范圍內工作。

除了理想的集成特性外，該解決方案還具有 ±3% 的精確電流感應，而分立解決方案的典型電流為 ±40%。IC 還報告 SEti 引腳上的負載瞬時電流值（圖 6）。這是一個很棒的功能，可以幫助系統監控每個電路板的電流消耗。

可以對器件進行編程，使其在限流條件下以三種不同的方式運行：自動重試、連續或閉鎖模式。這是系統設計人員決定如何管理負載瞬態以最小化系統停機時間和服務成本的好方法。

圖 6. MAX17608/MAX17609 應用框圖

結論

電子負載需要保護免受斷電和波動、感應負載開關和閃電的影響。我們回顧了一種典型的保護解決方案，其集成度低，不僅導致 PC 板空間效率低下和 BOM 高，而且容差大，并帶來電路認證挑戰。我們展示了一系列高度集成、高度靈活、低 R DS（ON）保護 IC，可提供直接和反向電壓和電流保護。它們非常易于使用，并以最少的 BOM 和 PC 板空間占用提供必要的功能。使用這些 IC，您可以在系統周圍設計一個嚴密的保護范圍，以提高安全性和可靠性。

審核編輯：郭婷