保護IC如何保持系統(tǒng)正常運行時間

當工廠倒閉時，這是一個必須立即解決的關鍵事件。傳統(tǒng)上，用于減輕系統(tǒng)故障的保護電路體積龐大、價格昂貴且難以實現(xiàn)。然而，正如本應用筆記所討論的，現(xiàn)代保護電路的進步現(xiàn)在為系統(tǒng)工程師提供了穩(wěn)健、高度集成且易于實施的解決方案，可防止與電氣應力相關的問題，從而有助于保持系統(tǒng)正常運行時間。

介紹

如果不加以解決，系統(tǒng)故障可能會損壞設備，或者更糟的是，整個工廠都會癱瘓。考慮一個經常被雷擊擊中的區(qū)域。例如，根據維薩拉的美國國家雷電探測網絡的數(shù)據，俄克拉荷馬州平均每年經歷超過一百萬次罷工。在這方面排名第一的州是佛羅里達州，平均每平方英里發(fā)生 25.3 次雷擊，每年發(fā)生 145 萬次雷擊1.每次雷擊都會削弱系統(tǒng)，并最終在一次或多次雷擊后將其擊倒。因此，經歷頻繁雷擊的區(qū)域必須使其保護系統(tǒng)格外堅固。如果雷擊使您的工廠離線，這將如何影響您的業(yè)務？

防止設備損壞故障的保護電路對于減輕雷擊等事件的影響很有價值。然而，傳統(tǒng)上，這些電路體積龐大、昂貴且難以實現(xiàn)。幸運的是，現(xiàn)代保護電路的進步現(xiàn)在為系統(tǒng)工程師提供了穩(wěn)健、高度集成、節(jié)省空間且易于實施的解決方案。

系統(tǒng)保護案例

由于所有電氣系統(tǒng)都會經歷電壓、電流、熱和其他故障，因此適當?shù)谋Ｗo對于系統(tǒng)正常運行時間至關重要。忽視保護可能會妨礙在設計驗證測試階段成功完成系統(tǒng)設計?；蛘撸愀獾那闆r涉及工廠車間的排隊情況。本應用筆記主要討論三個方面的常見系統(tǒng)故障：電壓、電流和熱故障。

電壓故障

系統(tǒng)電壓浪涌和振鈴

由于雷擊、保險絲熔斷、短路、熱插拔事件和電纜振鈴等多種事件，輸入電壓可能會高于和/或低于正常的直流電壓范圍。圖1顯示了一個短路事件，其中10英尺電纜末端的短暫短路（圖2）可能導致其電壓振鈴并達到峰值至50.4V，從而使其24VDC正常電壓翻倍。電壓也低至約11V（從初始短路降至0V）。被認為是穩(wěn)健的系統(tǒng)將在整個振鈴過程中繼續(xù)運行而不會中斷，或者至少可以承受而不會損壞。

圖1.短暫短路后長電纜電壓振鈴。

圖2.測試電路原理圖。

在其他幾種情況下也可能發(fā)生類似的電壓振鈴：熱插拔事件，將帶有放電電容器的卡插入帶電背板（圖3），或系統(tǒng)中其他位置的保險絲熔斷。如果系統(tǒng)直流電壓范圍很寬，情況會惡化。例如，IEC 61131-2 定義了具有 24VDC 標稱軌電壓加上 -15% 至 +20% 容差和 +5% 峰值交流分量的工業(yè)可編程邏輯控制器 （PLC）。因此，24VDC 電源軌的最小電壓為 19.2VDC，最大值為 30VDC。如果我們在上面的實驗中從30VDC電源開始，峰值振鈴電壓很容易達到60V。

雷擊會導致高能量浪涌電壓，通常由前端瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 器件和輸入濾波器處理。在24V總線系統(tǒng)中，工業(yè)系統(tǒng)通常使用意法半導體SMAJ33A等器件來箝位。在浪涌條件下，該TVS器件可以將浪涌電壓箝位至最大53.3V。因此，連接到此24V總線的任何電子元件必須能夠承受至少53.3V的電壓。?

輸入反向電壓

系統(tǒng)接線錯誤很少見，但仍然可能發(fā)生。例如，在機架安裝系統(tǒng)中，有人可能會反向插入卡或連接極性錯誤的電源線。當輸入電壓突然下降（輸入短路或振鈴低）時，輸出電容現(xiàn)在處于較高的電位，這會導致反向電壓條件。當輸出突然短路到更高電壓軌時（例如，在成束的電纜中），也可能發(fā)生反向電壓情況。雖然輸入反向電壓故障很少見，但當它們發(fā)生時，它們可能會導致代價高昂的系統(tǒng)損壞。

當前故障

過流/短路故障

輸出過載和短路是兩個明顯的電流故障。當系統(tǒng)運行容量過大時，會觸發(fā)過流負載。至于短路，這可能是由電路板上的組件故障引起的?；蛘撸绻腥瞬恍⌒膶馐值舻?a target="_blank">電源連接器上或鉆入電纜束，則可能會發(fā)生不良短路。未受保護的電路板可能會遭受永久性損壞，或者更糟糕的是，著火。圖4顯示了電路板因短路而燒毀。

圖4.電路板因短路而燒毀。

涌流

當將帶有放電電容器的電路板插入帶電背板時，電流浪涌涌入為電容器充電。不受控制，該浪涌電流將遵循以下等式：

I = Cxdv/dt

其中：
I = 浪涌電流
C = 電容 dv/
dt = 電容器電壓隨時間的變化率

如果將放電電容（0V時）插入24V帶電背板，在這種情況下dV/dt是瞬時的（無限），轉換為I = 無窮大。如果沒有浪涌控制，這種無限高的電流尖峰會損壞連接器，熔斷保險絲，并導致背板電壓出現(xiàn)電壓振鈴。

反向電流

當發(fā)生反向電壓事件時，如輸入反向電壓部分所述，反向電流會對系統(tǒng)造成嚴重損壞。

熱故障

過溫保護

為了防止損壞和潛在的火災相關問題，當系統(tǒng)或其組件之一的溫度達到危險水平時，過熱保護會關閉系統(tǒng)。如果設計得當，系統(tǒng)應該能夠在不進入過熱關斷狀態(tài)的情況下運行。但是，主要故障情況（例如長時間過載情況、系統(tǒng)風扇故障或故障、系統(tǒng)進氣口/出氣口意外堵塞或房間空調故障）可能會觸發(fā)過熱關機。

熱保護

與過熱關斷相比，熱保護更智能。當由于初級故障導致運行期間溫度升高到高于正常水平時，熱保護會為系統(tǒng)提供警告和一些選擇。例如，系統(tǒng)可以選擇卸載非關鍵負載，以較低的開關速度運行以消耗更少的功率。因此，在主要故障得到解決之前，系統(tǒng)可能能夠避免過熱關斷并降低系統(tǒng)性能。

系統(tǒng)保護解決方案

設計挑戰(zhàn)

想要充分保護其產品的系統(tǒng)工程師面臨著一些設計挑戰(zhàn)。分立或部分集成的IC實現(xiàn)需要許多外部元件。組件的公差堆疊分析起來很繁瑣，而且隨著時間的推移也很難驗證和保證性能。對于多個組件，最終的解決方案很大。

新型系統(tǒng)保護IC的主要特性

在理想情況下，系統(tǒng)保護解決方案將高度集成，易于設計導入，并輕松通過設計認證?，F(xiàn)代保護IC需要尋求的一些關鍵特性包括：

集成 pFET 和 nFET，用于正向/反向電壓/電流保護

集成精密電流檢測

可編程 UV/OV、限流閾值和故障響應模式

帶警告標志的熱保護

現(xiàn)代系統(tǒng)保護解決方案示例

為了保護示例系統(tǒng)免受上述所有電路故障的影響，我們選擇了MAX17608/MAX1709限流器。這些器件是業(yè)界集成度最高、節(jié)省空間、堅固耐用的IC，可在1A負載電流下提供高壓保護。這些限流器既滿足了日益嚴格的機器安全標準，也滿足了對更小解決方案的需求，因為模塊化機架 PLC 不斷縮小并變得更密集，具有更強的 I/O 能力。

圖5.MAX17608/09是高度集成、節(jié)省空間的保護IC。

圖5所示為MAX17608/09應用電路原理圖。這些IC的工作電壓范圍為+4.5V至+60V，可承受-65V的負輸入電壓。它們集成了 pFET 和 nFET，用于正向/反向電壓/電流保護、可編程 UV/OV、限流閾值和故障響應模式，以及帶警告標志的熱保護。解決方案尺寸非常小，因為IC采用微型3mm x 3mm、12引腳TDFN-EP封裝。

除了所有理想的集成功能外，這些限流器還具有非常精確的電流檢測，電流檢測頻率為±3%。分立式解決方案通?？梢蕴峁?±20%，因此這是一個顯著的性能改進。SETI引腳上的電壓還可以監(jiān)控系統(tǒng)電流消耗。

總結

故障時有發(fā)生，但通過在系統(tǒng)中實施適當?shù)碾娐繁Ｗo，您可以防止工廠車間出現(xiàn)問題。與前代產品相比，當今的高級保護IC采用小型封裝，具有強大的功能，非常適合保護系統(tǒng)免受電壓、電流、熱和其他故障的影響。

審核編輯：郭婷