10A eFuse為48V電源提供精巧型過電流保護

作者 : Pinkesh Sachdev,ADI 資深應用工程師

本文介紹一種外形精巧、纖薄、回應速度快的10A電子保險絲(eFuse),它沒有傳統被動保險絲的缺點,可在高達48V的DC電源軌上提供過流保護...

傳統上,過流保護使用的是保險絲。但是,保險絲體積龐大,回應速度慢,跳閘電流容差大,需要在一次或幾次跳閘後更換。本文介紹一種外形精巧、纖薄、回應速度快的10A電子保險絲(eFuse),它沒有上述這些被動保險絲缺點。eFuse可在高達48V的DC電源軌上提供過流保護。

為了儘量減少由電氣故障引起的系統停機時間,使用率高的電源或全年無休的系統需要在供電板上增加超載和短路保護。當電源為多個子系統或板(例如RF功率放大器陣列或基於背板的伺服器和路由器)供電時,必須為電源提供過電流保護。快速斷開發生故障的子系統與共用電源匯流排之間的連接,確保其餘的子系統能夠繼續正常運行,無需重新啟動或離線。

傳統的過電流保護(OCP)以保險絲為主,但它們體積龐大、回應緩慢、公差大,並且在一次或多次跳閘後就需要更換。適用於DC電源的晶片OCP解決方案,也被稱為電子斷路器或電子熔斷器,則克服了這些保險絲缺點。為了節省電路板空間,並具備被動保險絲的簡單性,eFuse中包含功率MOSFET開關,控制電路也整合在相同的封裝中。

突波抑制器搭配內部功率MOSFET

突波抑制器是一種IC裝置,用於控制電源線路中的N通道功率MOSFET,後者置於DC電源(例如12V、24V或48V)和需要抵禦輸入電壓和負載電流突波的系統電子元件之間。內建輸出電流和輸出電壓限制使突波抑制器能保護負載電子不受高壓輸入突波影響,並保護電源免於遭受下游超載和短路。可調計時器在電壓或電流突波限制事件期間啟動,保證系統不斷電,連續運行,以因應短暫故障。

如果故障的持續時間超過計時器時間,則系統斷電。

LTC4381是首款具有內部功率MOSFET的突波抑制器。它可以採用高達72V的供電電壓,但僅消耗6µA靜態電流。內部功率MOSFET提供100V漏源擊穿電壓(BVDSS)和9mΩ導通電阻(RDS(ON)),可以支援高達100V的輸入突波和10A應用。LTC4381提供四個選項,可以選擇故障重啟行為和固定或可調的輸出鉗位元電壓。

48V10A eFuse電路

LTC4381的突波抑制器功能易於擴展,可以作為eFuse使用。1顯示48V、10A eFuse應用中的LTC4381-4,該應用保護電源不受輸出端的超載或短路影響。正常運行期間,輸出VOUT透過內部功率MOSFET和外部感測電阻RSNS連接到電源輸入VIN。在輸出超載或短路期間,當RSNS壓降超過50mV電流限值閾值時,TMR接腳電容電壓開始從0V上升,內部MOSFET在TMR電壓達到1.215V時關閉(稍後詳細介紹)。4mΩ RSNS將典型過流閾值設定為12.5A (50mV/4mΩ),最小閾值設定為11.25A (45mV/4mΩ),為10A負載電流提供足夠餘量。

148V10A eFuseLTC4381

由於返回電路的電路或電纜的寄生電感,當內部MOSFET開關在電流流動期間關閉時,輸入電壓會急漲至標準工作電壓以上。齊納D1保護LTC4381 VCC接腳的80V絕對最大額定值,而D2保護內部100V MOSFET不受雪崩影響。D1也將輸出箝位電壓設定到66.5V (56V + 10.5V),以防不使用D2。R1和C1過濾VIN升高和下降。如果有電容接近LTC4381限制電壓尖峰,低於80V,則VCC接腳可以直接連接至VIN。在這種情況下,可以取消使用D1、D2、R1和C1。

正常運行期間,有10A流過內部MOSFET時,LTC4381的初始壓降為90mV,功耗為900mW。但是,在室溫環境下,這種功耗會使DC2713A-D評估板上的LTC4381封裝的溫度升高到約100°C,達到RDS(ON)的兩倍,且使壓降升高到180mV。4mΩ感測電阻在10A時再度下降40mV。可能需要消耗更多的銅,特別是在SNS節點,以降低LTC4381的升溫。DC2713A-D SNS節點使用2.5cm2 2oz銅,這些銅均勻分佈在板的兩個外層上,上述資訊作為參考。

啟動行為

當ON接腳不與地相接後,1中的電路啟動一個220µF負載電容,如2所示,適用於48V和60V電源。假設60V為48V電源工作範圍的上限。假設啟動期間沒有額外的負載電流的情況下,220µF是這個10A電流能夠安全充電的最大負載電容。當220µF電容按照12.5A電流限值充電至60V時,湧入時間為220µF × 60V/12.5A = 1.06ms。LTC4381 MOSFET的安全工作區域(SOA)圖,如3所示,顯示在12.5A和30V下它可以正常運行1ms。之所以使用30V,是因為它是平均輸入-輸出差分電壓,開始時為60V,之後降至0V。

2LTC4381 10A保險絲電路採用(a) 48V ()(b) 60V ()電源啟動220µF負載電容。

3LTC4381 MOSFET的安全工作區域。

由於沒有GATE接腳電容來減緩其斜坡速率,在得到控制之前,輸出在2毫秒內充電,湧入電流達到17A峰值,超過電流限值閾值(參見2)。LTC4381具有50mV電流限值感測閾值,或者當OUT接腳的電壓>3V,採用4mΩ感測電阻時為12.5A,但當OUT接腳的電壓>1.5V(如4所示)時,它會升高到62mV或15.5A。該圖並顯示,在啟動過程中,如果感測電阻中的電子負載電流降低超過20mV(4mΩ時5A),輸出會保持在2V(且TMR超時)。

4LTC4381電流限值與輸出電壓。

圖2中的波形顯示,因為缺少保持迴路穩定所需的47nF閘極電容,所以反而會對湧入電流脈衝進行調節。事實上,在60V湧入期間,電流會斷開約0.5ms。LTC4381 TMR上拉電流與內部MOSFET的功耗成正比。因此,即使電流低於電流限值閾值,在啟動湧入期間,TMR也會升高。我們故意去掉閘極電容,以使用小型TMR電容,使220µF負載電容仍能成功啟動。在短路故障期間,小型TMR電容會保護MOSFET,這一點我們將在下一節詳細介紹。

最小的TMR電容為68nF,在60V啟動期間保持TMR電壓上升到0.7V左右。例如,選擇47nF的TMR電容,允許TMR在60V啟動期間達到1.15V,這非常接近1.215V閘極關斷閾值。選擇0.7V峰值TMR目標電壓,以從1.215V閘極關斷閾值提供足夠餘量,同時採用以下這些公差:TMR上拉電流±50% (LTC4381數據手冊中的ITMR(UP)規格),TMR電容±10%,1.215V TMR閘極關斷閾值±3% (VTMR(F)規格)。

1列出了推薦最大負載電容使用的TMR電容,以在60V啟動期間將TMR電壓升高限制在0.7V左右。

1:推薦用於CLOAD(MAX)CTMR

輸出短路行為

1中的電路主要用於保護上游電源,無論是在啟動或正常運行期間,保護電源不受超載和短路等下游故障影響。5顯示在輸出端存在短路時,LTC4381啟動其MOSFET。閘極電壓(藍色曲線)升高。超過3V閾值電壓時,MOSFET開啟,電流(綠色曲線)開始流動。由於輸出短路,且沒有閘極電容,MOSFET電路迅速升高,超過0V輸出時的15.5A電流限值閾值,並在LTC4381做出反應,下拉MOSFET閘極和關斷電流流動之前達到21A峰值。電流超出15.5A的時間持續不到50µs。由於MOSFET中短暫的功耗,TMR電壓(紅色曲線)升高約200mV。由於TMR遠低於1.215V閘極關斷閾值,閘極再次打開,導致出現另一個電流尖峰。在每一個電流尖峰位置,TMR電壓升高至接近1.215V。

5:啟動48V電源的LTC4381進入輸出短路。

在經歷幾次這樣的電流尖峰後,TMR電壓達到1.215V閘極關斷閾值,MOSFET保持關閉。TMR現在進入冷卻週期,LTC4381-4不允許MOSFET再次開啟,直到冷卻週期完成。根據LTC4381數據手冊中的公式8,68nF TMR電容的冷卻週期時長為33.3 × 0.068 = 2.3s。由於LTC4381-4自動重試,這樣的電流尖峰和冷卻週期模式將無限次重複,直到輸出短路被清除。在正常操作期間(即輸出已啟動)如果發生輸出短路,該模式將重複出現。注意,除非增加4µH輸入電軌電感,否則LTspice類比不會顯示如5所示的行為。

結論

LTC4381的內部功率MOSFET為48V、10A系統的eFuse或斷路器提供精巧電路。如此,在設計階段無需花費時間選擇功率MOSFET。LTC4381 MOSFET的SOA經過生產測試,每個元件都可以保證品質,離散式MOSFET不提供這種保證。這有助於建構一個可靠的解決方案,以保護伺服器和網路設備中價格昂貴的電子裝置。

由於沒有使用穩定迴路的閘極電容,本文所談論的10A電路會有一些須留意的特有表現。具體來說,就是在短路期間,不會出現受傳統dV/dt控制的湧入電流和脈衝電流。然而,這些都是短暫的瞬間事件,持續時間不到幾毫秒。輸入旁路電容可協助防止對48V電源產生任何干擾,特別是與其他電路板共用該電源時,例如背板。在後一種情況下,相鄰電路板的負載電容也產生與輸入旁路電容相同的作用。

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