在上期中，我們探討了基于 AI 的處理器在 48V 服務(wù)器設(shè)計中的挑戰(zhàn)。

本期，為大家?guī)淼氖恰?a target="_blank">電源開關(guān)瞬態(tài)保護設(shè)計，實現(xiàn)穩(wěn)健可靠的電源路徑保護》，將探討電氣過應(yīng)力 (EOS) 和 200A 電子保險絲企業(yè)服務(wù)器應(yīng)用中瞬態(tài)保護元件的設(shè)計過程，包括放置和印刷電路板 (PCB) 布局注意事項。

簡介

現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的元件集成通過增加功能來提高性能。大多數(shù)此類系統(tǒng)使用需要保護的敏感且昂貴的電子器件（現(xiàn)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(shù)電阻器、二極管和分立式電路（包括保險絲、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和二極管）等傳統(tǒng)保護解決方案不準確，響應(yīng)速度較慢且缺乏可配置性和可重復(fù)性。因此，在許多應(yīng)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(tài)事件的影響。最常見的瞬態(tài)事件包括熱插拔、電流突然中斷、電源浪涌、硬開關(guān)和反向電壓。

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

了解 EOS

ESD 行業(yè)委員會將電氣過應(yīng)力 (EOS)定義為“當器件兩端的電壓、流經(jīng)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(dǎo)致器件立即損壞或出現(xiàn)故障，或者造成潛在損壞，從而致使其使用壽命出現(xiàn)不可預(yù)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(dǎo)致二極管發(fā)生正向或反向擊穿，或使集成電路 (IC) 內(nèi)部的氧化層達到擊穿電壓。一旦過壓引發(fā)意外的電流路徑，產(chǎn)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(dǎo)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(guān)聯(lián)：

?區(qū)域 A：安全工作區(qū)。

?區(qū)域 B：不保證器件功能或參數(shù)規(guī)范。盡管預(yù)計不會出現(xiàn)物理損壞，但延長運行時間可能會存在可靠性問題。

?區(qū)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(fēng)險。

?區(qū)域 D：預(yù)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(yīng)預(yù)料到會出現(xiàn)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(tài)過電壓。

圖 1：將絕對最大額定值解釋為 EOS

企業(yè)服務(wù)器系統(tǒng)示例

電子保險絲廣泛用于前端的機架式服務(wù)器模塊，以提供輸入保護并實現(xiàn)熱插拔功能。圖 2 展示了機架式服務(wù)器的典型配電架構(gòu)，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(chǎn)生意外的瞬態(tài)電壓。

圖 2：12V 機架式服務(wù)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(nèi)瞬間將大量電流從大約 200A（過流）中斷到 0A（關(guān)斷以實現(xiàn)保護），從而導(dǎo)致較大的電流瞬態(tài) (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(chǎn)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(lián)，并將有效地產(chǎn)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(chǎn)生負電壓峰值。

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

圖 3：電源開關(guān)中故障電流突然中斷引起的電感反沖電壓

TVS 二極管選擇

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(tài)電阻 (Rd) 的函數(shù)。同樣，動態(tài)電阻是二極管封裝尺寸和 TVS 二極管分流電流的持續(xù)時間 (tP) 的函數(shù)。

例如，SMAJ 二極管 (13.52mm2) 的 Rd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 Rd值來計算鉗位電壓，這些值可從 TVS 二極管制造商的數(shù)據(jù)表中獲得。

對于tp≤ 20μs：

方程式 3

對于20μs < tp?< 1ms：

方程式 4

對于tp≥ 1ms：

方程式 5

這種多參數(shù)相關(guān)性會導(dǎo)致具有挑戰(zhàn)性的迭代設(shè)計過程。為了簡化設(shè)計，TI 發(fā)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(shè)計方法，而表 1 列出了機架式服務(wù)器的典型規(guī)范。

圖 5：TVS 二極管選擇流程圖

表 1：典型系統(tǒng)規(guī)范

設(shè)計步驟

為機架式服務(wù)器設(shè)計輸入保護時，請從數(shù)據(jù)表中選擇TPS25984B電子保險絲的支持元件值，然后按照以下設(shè)計步驟選擇 TVS。首先，選擇反向關(guān)斷電壓等于或大于 VDC_max的單向 TVS。我們選擇了Littlefuse SMDJ12A 二極管作為起點。接下來，確定 IP，即斷路器電流。然后計算鉗位電壓。因為 Rd是 tP的函數(shù)，所以使用方程式 6 查找 tP：

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(tài)電阻近似為該值。從SMDJ12A數(shù)據(jù)表中，我們的計算結(jié)果為：

方程式 7

因此：

方程式 8

現(xiàn)在，使用 14.6mΩ 的 Rd，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VC(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 Rd的 TVS 二極管或并聯(lián) 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(nèi) 60kW 的峰值功率（請參閱圖 6），因此您可以進一步操作。

現(xiàn)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 VC< 20V，因此?SMDJ12A?是此應(yīng)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(tǒng)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(xiàn)瞬態(tài)保護

輸出肖特基二極管選擇

圖 8 展示了當使 OUT 引腳低于接地值時，IC 內(nèi)部可能發(fā)生的一系列事件。寄生 PN 結(jié)二極管開始導(dǎo)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(fù)位或?qū)е麻V鎖效應(yīng)事件。通過寄生 PN 結(jié)二極管的大電流傳導(dǎo)可能會引起 EOS 并導(dǎo)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(jīng) 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(dǎo)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(fù)峰值正向浪涌電流必須大于 IP。

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

在此應(yīng)用中，我們并聯(lián)使用了兩個Diodes Incorporated生產(chǎn)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(nèi)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(tài)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

放置和 PCB 注意事項

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(dǎo)致更大的瞬態(tài)電壓峰值，如圖 11 中所示。因此，布局應(yīng)使這些分流元件具有最小的串聯(lián)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

結(jié)語

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(tài)保護來防止違反其絕對最大規(guī)格。本文討論的元件選擇指南和布局注意事項可幫助您設(shè)計解決方案，以確?？煽侩娫绰窂奖Ｗo。