模擬芯視界 | 電源開關瞬態保護設計，實現穩健可靠的電源路徑保護

現代電子系統中的元件集成通過增加功能來提高性能。大多數此類系統使用需要保護的敏感且昂貴的電子器件（現場可編程門陣列、專用集成電路和微處理器）。

保險絲、正溫度系數電阻器、二極管和分立式電路（包括保險絲、金屬氧化物半導體場效應晶體管和二極管）等傳統保護解決方案不準確，響應速度較慢且缺乏可配置性和可重復性。因此，在許多應用中，使用電子保險絲和熱插拔解決方案的有源電路保護已開始取代分立式前端保護電路。

但是，有源電路保護電子保險絲通常需要額外的保護，以保護它們免受瞬態事件的影響。最常見的瞬態事件包括熱插拔、電流突然中斷、電源浪涌、硬開關和反向電壓。

任何此類瞬態事件都會在器件上造成電過應力，從而導致故障。在本文中，我們將討論電氣過應力 (EOS) 和 200A 電子保險絲企業服務器應用中瞬態保護元件的設計過程，包括放置和印刷電路板 (PCB) 布局注意事項。

ESD 行業委員會將電氣過應力 (EOS) 定義為“當器件兩端的電壓、流經器件的電流或器件耗散的功率中的任何一個超過其最大限值，導致器件立即損壞或出現故障，或者造成潛在損壞，從而致使其使用壽命出現不可預測的縮短的情況。”在這些情況下，過電壓會打開意外的電流路徑，例如導致二極管發生正向或反向擊穿，或使集成電路 (IC) 內部的氧化層達到擊穿電壓。一旦過壓引發意外的電流路徑，產生的電流就會造成損壞，包括硅材料熔化、金屬互連熔斷、封裝材料熱損壞，以及鍵合線熔斷，從而導致電致物理損壞 (EIPD)。

可以將 EOS 與特定于器件額定電壓的絕對最大額定值相關聯：

? 區域 A：安全工作區。

? 區域 B：不保證器件功能或參數規范。盡管預計不會出現物理損壞，但延長運行時間可能會存在可靠性問題。

? 區域 C：超過絕對最大額定值，器件壽命會嚴重縮短，并存在潛在失效風險。

? 區域 D：預計會立即遭受物理損壞。

如圖 1 所示，當器件在超出絕對最大額定值運行時，應預料到會出現問題。因此，必須采取保護措施來抑制超過絕對最大額定值的瞬態過電壓。

圖 1：將絕對最大額定值解釋為 EOS

電子保險絲廣泛用于前端的機架式服務器模塊，以提供輸入保護并實現熱插拔功能。圖 2 展示了機架式服務器的典型配電架構，其中輸入來自 12V 背板，然后從電子保險絲分配到所有下游負載。電源路徑涉及背板、PCB 線路和接口連接器，會引入寄生電感 (L)，進而在故障事件期間產生意外的瞬態電壓。

圖 2：12V 機架式服務器配電的典型方框圖

我們來定量分析 L 對電子保險絲的影響，如圖 3 中所示。在輸出短路的情況下，電子保險絲會在 1μs 內瞬間將大量電流從大約 200A（過流）中斷到 0A（關斷以實現保護），從而導致較大的電流瞬態 (di/dt)，如方程式 1 所示：

方程式 1

此電流將被捕獲為寄生電感中的能量，并產生浪涌，表示為方程式 2：

方程式 2

–20V 浪涌將與 12V 輸入電源串聯，并將有效地產生 32V 正電壓峰值，超過德州儀器 (TI) TPS25984B 電子保險絲的 20V VIN 絕對最大額定值。同樣，輸出電感會在輸出端產生負電壓峰值。

為防止出現這種情況，瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管將鉗制正極側的電壓，而低正向電壓續流肖特基二極管將鉗制負極側的電壓。為了確保提供可靠的系統保護，必須仔細選擇這些元件。

圖 3：電源開關中故障電流突然中斷引起的電感反沖電壓

TVS 二極管旨在保護電子元件免受電壓峰值的影響。一旦二極管上的電壓超過雪崩擊穿電勢，TVS 二極管就開始工作。圖 4 是 TVS 二極管的電流 - 電壓曲線圖。

圖 4：TVS 二極管特性

如圖 4 所示，最終鉗位電壓是 TVS 二極管分流的電流及 TVS 二極管動態電阻 (R_d) 的函數。同樣，動態電阻是二極管封裝尺寸和 TVS 二極管分流電流的持續時間 (t_P) 的函數。

例如，SMAJ 二極管 (13.52mm²) 的 R_d 高于 SMBJ 二極管 (19.44mm²)，因此在給定的分流電流下，SMAJ 二極管的鉗位電壓會更高。

使用這些 R_d 值來計算鉗位電壓，這些值可從 TVS 二極管制造商的數據表中獲得。

對于 t_p ≤ 20μs：

方程式 3

對于 20μs < t_p < 1ms：

方程式 4

對于 t_p ≥ 1ms：

方程式 5

這種多參數相關性會導致具有挑戰性的迭代設計過程。為了簡化設計，TI 發布了一個用于 TVS 選擇的在線工具。圖 5 以流程圖的形式展示了設計方法，而表 1 列出了機架式服務器的典型規范。

圖 5：TVS 二極管選擇流程圖

表 1：典型系統規范

為機架式服務器設計輸入保護時，請從數據表中選擇 TPS25984B 電子保險絲的支持元件值，然后按照以下設計步驟選擇 TVS。首先，選擇反向關斷電壓等于或大于 V_{DC_max} 的單向 TVS。我們選擇了 Littlefuse SMDJ12A 二極管 作為起點。接下來，確定 I_P，即斷路器電流。然后計算鉗位電壓。因為 R_d 是 t_P 的函數，所以使用方程式 6 查找 t_P：

方程式 6

對于低于 20μs 的脈沖寬度，您可以在 8/20μs 測試脈沖將動態電阻近似為該值。從 SMDJ12A 數據表中，我們的計算結果為：

方程式 7

因此：

方程式 8

現在，使用 14.6mΩ 的 R_d，計算鉗位電壓：

方程式 9

由于鉗位電壓小于最大可耐受電壓 V_C(max)（TPS25984B 電子保險絲的 20V 絕對最大額定值），因此您可以進一步使用 SMDJ12A；否則，您必須考慮具有較低 R_d 的 TVS 二極管或并聯 TVS 二極管。

使用以下項目計算峰值功率：

方程式 10

由于 SMDJ12A 支持 2.5μs 內 60kW 的峰值功率（請參閱圖 6），因此您可以進一步操作。

現在，使用圖 6 降低額定功率和溫度。75° 支持的最大功率為：

方程式 11

由于 48kW > 3.52kW 且 V_C < 20V，因此 SMDJ12A 是此應用的理想選擇。

圖 6：峰值脈沖功率額定值（左）和峰值脈沖功率降額曲線（右）

圖 7 展示了 TPS25984B 系統上 SMDJ12A 的鉗位性能。

圖 7：在 TPS25984B 電子保險絲的輸入端使用 SMDJ12A 二極管來實現瞬態保護

圖 8 展示了當使 OUT 引腳低于接地值時，IC 內部可能發生的一系列事件。寄生 PN 結二極管開始導通，這會將自由電子注入基板。這些自由電子會干擾其他控制單元，從而可能使 IC 復位或導致閂鎖效應事件。通過寄生 PN 結二極管的大電流傳導可能會引起 EOS 并導致 EIPD。

通過降低 OUT 引腳上的峰值負電壓或限制通過 OUT 引腳的電流，可以防止這些問題。在 OUT 引腳附近添加一個輸出電容器，可將會吸收負電壓峰值中的部分能量，并控制壓擺率以限制峰值負電壓。在 OUT 引腳上添加一個低正向電壓肖特基二極管可提供替代電流路徑并限制流經 IC 的電流。

有效鉗位需要電容器和肖特基二極管的組合。雖然較高輸出電容器很有用，但選擇肖特基二極管時請遵循以下指導原則：

? 直流阻斷電壓必須大于最大輸入工作電壓。

? 所選二極管的非重復峰值正向浪涌電流必須大于 I_P。

? I_P 處的正向壓降必須處于 OUT 引腳的絕對最大額定值范圍內（對于 TPS25984B 為 –1V）。

在此應用中，我們并聯使用了兩個 Diodes Incorporated 生產的 SBR10U45SP5 二極管。

圖 8：示意圖展示了將輸出降至接地值以下時 IC 內部的后果

圖 9 所示為 TPS25984B 解決方案中采用和不采用肖特基二極管時的輸出鉗位性能。

圖 9：電子保險絲輸出端的瞬態保護

處理高電流熱插拔解決方案時，次級保護（如圖 10 所示）可以最大限度地降低輸出端對肖特基二極管的要求。如您所見，D1 將吸收負電壓瞬變中的大部分能量。添加 47Ω 等低阻值電阻器 (R1) 和 SS13 等二極管 (D2) 將顯著限制剩余能量。

圖 10：高電流熱插拔解決方案中的次級保護

必須將保護器件（例如 TVS 二極管、去耦電容器和肖特基二極管）放置在目標保護器件附近。分布式電感限制了分流元件（例如去耦電容器和 TVS 二極管）的效率帶寬。它會限制浪涌電流，并在鉗位期間導致更大的瞬態電壓峰值，如圖 11 中所示。因此，布局應使這些分流元件具有最小的串聯阻抗。進行布線時，使用短布線和多個過孔以降低電感。

圖 11：相對于 PCB 布局的 TVS 鉗位性能影響

分立式前端保護電路被電子保險絲等有源電路保護器件所取代，以提高性能。但是，電子保險絲通常需要瞬態保護來防止違反其絕對最大規格。本文討論的元件選擇指南和布局注意事項可幫助您設計解決方案，以確保可靠電源路徑保護。