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Bild 1: Vereinfachtes Blockdiagramm des LTC4364.

Bild 1: Vereinfachtes Blockdiagramm des LTC4364.Linear Technology

Leistungssysteme in Automobilen und industriellen Applikationen müssen mit kurzen Spannungsspitzen fertig werden. Dies geschieht durch eine Lastregelung bei gleichzeitigem Schutz empfindlicher Schaltungen vor gefährlichen Transienten. Ein gebräuchlicher Schutz ist der Einsatz einer Serieninduktivität zusammen mit einem hochkapazitiven Elektrolytkondensator als Bypass, ergänzt durch einen Transienten-Überspannungsbegrenzer (TVS) und eine Sicherung. Dieser schwer zu handhabende Ansatz benötigt viel Fläche auf dem Board – die unförmige Spule und der Kondensator sind oft die größten Komponenten im System. Dieser Schutz hilft aber nicht gegen entgegengesetzte Spannung (Falschpolung) am Eingang oder Versorgungschwankungen – beides sind mögliche Szenarien in einer automobilen Umgebung. Um diesen Ereignissen vorzubeugen und die Ausgangsspannung aufrecht zu halten, setzen Designer eine Blockingdiode ein, deren Spannungsabfall aber zu zusätzlichen Leistungsverlusten führt.

Auf einen Blick

Der im LTC4364 integrierte Ideal-Diode-Treiber hält bei Kurzschlüssen, Spannungseinbrüchen oder Falschpolung die Ausgangsspannung aufrecht, ohne die Verluste, die durch eine Blockingdiode verursacht würden. Der eingebaute Ausgangsschutz ist auch nützlich, wenn der Ausgang des ICs direkt mit dem Steckverbinder des Systems verbunden ist. Die Merkmale des ICs schließen die Eingangsunter- und -überspannungserkennung sowie ein Abschaltmode mit geringem Strombedarf ein.

Linear Technology hat mit der Bezeichnung Ideal-Diode eine Reihe interessanter ICs für Stromversorgungen im Programm, die die als Blockingdiode verwendete Schottky-Diode ersetzen. Ein den MOSFET in diesem IC ansteuernder interner Controller macht es zum besonders verlustarmen Ersatz für Schottky-Dioden.

Der LTC4364 ist eine komplette Lösung zum Schutz der Last und sorgt für einen konstanten Ausgang bei geringem Platzbedarf ohne unförmige Komponenten und unerwünschten Spannungsverlust. Bild 1 zeigt das Blockdiagramm des LTC4364. Er treibt zwei aufeinander folgende N-Kanal-Längstransistoren: der eine schützt gegen Spannungsspitzen und liefert einen geregelte Spannung an den Ausgang (M1 in Bild 1), während der andere als ideale Diode zum Verpolungsschutz und zur Aufrechterhaltung des Ausgangs agiert (M2 in Bild 1).

Bild 2: Überspannungsschutz mit Verpolungsschutz schütz vor Eingangstransienten bis 200 V/-24 V.

Bild 2: Überspannungsschutz mit Verpolungsschutz schütz vor Eingangstransienten bis 200 V/-24 V. Linear Technology

Der LTC4364 schützt auch vor Überlast sowie Kurzschluss und übersteht Rückspannung am Ausgang, schaltet die MOSFETs bei Unterspannung am Eingang ab und verbietet Einschalten oder automatischen Neustart bei Überspannung. Ein Abschaltmode reduziert den Versorgungsstrom auf niedrige 10 µA.

Spannungsschutz übersteht hohe Spannungen

Bild 2 zeigt eine typische Applikation des LTC4364. Unter normalen Bedingungen treibt er den Überspannungsschutz N-Kanal-MOSFET (M1), der voll durchschaltet und VDS des Ideal-Diode N-Kanal-MOSFETs (M2) mit 30 mV, so dass der Spannungsabfall vom Eingang bis zur Last minimiert ist. Steigt Vout auf 0,7 V unter Vin, geht der ENout-Pin auf High und aktiviert den Lastschaltkreis.

Bild 3: Der LTC4364 liefert 27 V an die Last, auch wenn Spannungsspitzen bis 92 V am Eingang auftreten.

Bild 3: Der LTC4364 liefert 27 V an die Last, auch wenn Spannungsspitzen bis 92 V am Eingang auftreten.Linear Technology

Während eines Spannungsanstiegs am Eingang reguliert LTC4364 den HGate-Pin und klemmt die Ausgangsspannung mit dem MOSFET M1 und dem Widerstandsspannungsteiler so, dass die Spannung am FB-Pin 1,25 V bleibt. Der Lastschaltkeis arbeitet weiter mit etwas mehr Spannung als der moderate Anstieg der Versorgungsspannung wie in Bild 3 gezeigt.

Im Falle einer Stromüberlast begrenzt der LTC4364 den Ausgangsstrom mittels M1, so dass die Spannung über den Sense- und Out-Pins 50 mV bleibt (wenn Out >2,5 V). Bei massiven Kurzschlüssen, mit Out unter 1,5 V, regelt die Strombegrenzung zum zusätzlichen Schutz des MOSFETs die Spannung auf 25 mV (Bild 4).

Bild 4: Die 2:1 rücklaufende Strombegrenzung verhindert Stress auf den MOSFET bei Kurzschluss am Ausgang.

Bild 4: Die 2:1 rücklaufende Strombegrenzung verhindert Stress auf den MOSFET bei Kurzschluss am Ausgang.Linear Technology

Bei jeder Strombegrenzung startet der Timerkondensator eine Rampe (entweder bei Überspannung wie in Bild 5 oder durch Überstrom). Dauert dieser Zustand am TMR-Pin lang genug an, um 1,25 V zu erreichen, geht er auf low, um eine Frühwarnung auf die bevorstehenden Leistungsverluste an nachfolgende Schaltkreise abzugeben. Bei 1,35 V schaltet der Timer den MOSFETs aus, und erst nach einer Abkühlphase erfolgt der Neustart.

Der LTC4364 prüft die Spannung über dem MOSFET und verkürzt den Ausschaltintervall des Timers entsprechend der ansteigenden Differenz Vcc – Vout. Auf diese Weise ist der stressende Ausgangskurzschluss zeitlich verkürzt, und die geringe Überlast lässt den MOSFET im sicheren Arbeitsbereich operieren.

Bild 5: Nach einem Überspannungsfehler liefert die Sequenz des LTC4364-2 Neustarttimers eine lange Abkühlphase (Tastverhältnis 0,1 %).

Bild 5: Nach einem Überspannungsfehler liefert die Sequenz des LTC4364-2 Neustarttimers eine lange Abkühlphase (Tastverhältnis 0,1 %).Linear Technology

Der LTC4364 bietet bei Überspannungs- und Überstrombedingungen ein sehr geringes Neustart-Tastverhältnis von 0,1 %, was ein Abkühlen des MOSFET vor dem Einschalten nach einer Fehlerabschaltung ermöglicht. Bild 5 zeigt die Einschalt-Timersequenz des LTC4364-2 nach einem Überspannungsereignis.

Ein wichtiges Merkmal des LTC4364 ist, dass ein strombegrenzendes Bauteil wie ein Widerstand (R4 in Bild 2) zwischen der Eingangsversorgung und dem Vcc-Pin platziert werden kann. Damit können Eingangstransienten am Vcc-Pin entweder mit einem Kondensator gefiltert werden (C1 in Bild 2) oder mit einer Z-Diode (D1 in Bild 2) geklemmt werden. Ist der passende MOSFET M1 ausgewählt, macht diese Lösung es möglich, Versorgungstransienten größer 100 V zu beherrschen. Die Schaltung in Bild 2 übersteht solche Transienten bis 200 V.

Eingangsspannungsmonitoring

Der LTC4364 erkennt mit dem UV-Pin Unterspannung wie beispielsweise geringe Batteriespannung und schaltet den MOSFET nicht ein, wenn die Spannung am UV-Pin unter 1,25 V ist. Der LTC4364 prüft auch Überspannungen am Eingang und schaltet den MOSFET bei Fehlern am Ausgang nicht ein, verhindert so ein Einschalten oder Neustart.

Bild 6: Eingangs-UV- und OV-Monitore können so konfiguriert werden, dass sie bei Überspannung ein Wiedereinschalten verhindern.

Bild 6: Eingangs-UV- und OV-Monitore können so konfiguriert werden, dass sie bei Überspannung ein Wiedereinschalten verhindern.Linear Technology

Beim Einschalten bleibt der MOSFETs ausgeschaltet bis die Spannung am OV-Pin unter 1,25 V fällt, und die Spannung am OV-Pin höher als 1,25 V ist, bevor die 100 µs Verzögerung des Power-on-Reset abgelaufen sind oder bevor die Spannung am UV-Pin über 1,25 V ansteigt. Diese Funktion zusammen mit den zwei separaten Widerstandsteilern mit passenden Filterkondensatoren an den OV- und UV-Pins (Bild 6) verhindert ein Einschalten, wenn das Board an eine Überspannung angeschlossen wird.

Nach Wiedereinschalten schaltet unter normalen Bedingungen eine nachfolgend auftretende Überspannung am Eingang den MOSFET nicht aus, verhindert aber einen automatischen Neustart bei einem Fehler am Ausgang. Ist die Spannung am OV-Pin am Ende der Abkühlphase über 1,25 V, bleibt der MOSFET ausgeschaltet bis die Eingangsüberspannungssituation geklärt ist.

Falschpolung und Spannungseinbrüche

Bild 7a: Eingangsschutz am LTC4364. Bei Eingangskurzschluss oder Spannungsaussetzern geht der DGate-Pin auf low, schaltet den Ideal-Diode-MOSFET ab und hält so die Ausgangsspannung.

Bild 7a: Eingangsschutz am LTC4364. Bei Eingangskurzschluss oder Spannungsaussetzern geht der DGate-Pin auf low, schaltet den Ideal-Diode-MOSFET ab und hält so die Ausgangsspannung.Linear Technology

Gegen Falschpolung am Eingang wird oft eine Schottky-Blockingdiode eingesetzt. Diese Diode verbraucht Leistung und reduziert die Betriebsspannung für den Lastkreis, dies besonders bei niedrigen Eingangsspannungen wie sie beim Kaltstart von Automobilen auftreten. Der LTC4364 eliminiert die konventionelle Schottky-Blockingdiode mit ihren Spannungs- und Leistungsverlusten durch Verwendung eines DGate-Pin zur Ansteuerung eines zweiten entgegengepolten MOSFETs (M2 in Bild 2).

Im normalen Betrieb reguliert der LTC4354 die Durchlassspannung auf nur 30 mV (VDS von M2). Ist der Laststrom groß genug, um eine Durchlassspannung größer 30 mV zu erzeugen, wird M2 voll durchgeschaltet und sein VDS entspricht RDS(On) x ILoad.

Bild 7b: Eingangsschutz am LTC4364. Bei Falschpolung geht der DGate-Pin auf Potenzial des Source-Pin, schaltet den Ideal-Diode-MOSFET aus und unterbricht den Rückstrom.

Bild 7b: Eingangsschutz am LTC4364. Bei Falschpolung geht der DGate-Pin auf Potenzial des Source-Pin, schaltet den Ideal-Diode-MOSFET aus und unterbricht den Rückstrom.Linear Technology

Bei einem Kurzschluss am Eingang oder einem Ausfall der Versorgung fließt zeitweise ein Rückstrom durch M2. Der LTC4364 erkennt den Rückwärtsspannungsabfall und schaltet sofort den M2 ab, minimiert die Entladung des Ausgangskondensators und hält die Ausgangsspannung aufrecht. Bild 7 zeigt einen Schluss der 12 V Eingangsspannung auf Masse. Der LTC4364 reagiert auf dieses Ereignis durch Setzen des DGate-Pin auf low, unterbricht den Rückstrompfad und hält so die Ausgangsspannung aufrecht.

Wird die Batterie falsch angeschlossen, verbindet der LTC4364 den DGate-Pin mit dem Source-Pin (der folgt der Eingangsspannung) ohne zusätzliche externe Komponenten. M2 bleibt ausgeschaltet und trennt den Lastschaltkreis vom Eingang wie in Bild 7b gezeigt. Die Vcc-, /SHDN-, UV-, OV-, HGate-, Source- und DGate-Pins überstehen alle 100 V über und 40 V unter GND-Potenzial.

Eingebauter Ausgangsschutz

Bild 8: LTC4364 bietet eingebauten Ausgangsschutz gegen Überspannung, Kurzschluss und Falschpolung.

Bild 8: LTC4364 bietet eingebauten Ausgangsschutz gegen Überspannung, Kurzschluss und Falschpolung.Linear Technology

Ist der Ausgang des ICs direkt mit dem Steckverbinder verbunden (Bild 8), können Überspannung, Kurzschluss oder Rückspannungen auftreten. Da schützt der LTC4364 den Lastkreis und die Eingangsversorgung mit verschiedenen Merkmalen gegen diese Beeinflussung:

  • Ist der Ausgang mit einer Versorgung verbunden, die höher liegt als der Eingang, schaltet die Ideal-Diode MOSFET M2 aus, um den Rückpfad, wie in Bild 9a gezeigt, zu unterbrechen.
  • Ist der Ausgang gegen Masse kurzgeschlossen, reguliert der HGate-Pin erst den Durchlassstrom bis zum Limit und schaltet dann, wenn der Fehler nicht mehr auftritt, MOSFET M1 ab.
    Bild 9a: LTC4364 Ausgangsschutz. Liegt der Ausgang über dem Eingang, geht der DGate-Pin auf low und unterbricht den Rückstrom.

    Bild 9a: LTC4364 Ausgangsschutz. Liegt der Ausgang über dem Eingang, geht der DGate-Pin auf low und unterbricht den Rückstrom.Linear Technology

  • Erscheint am Ausgang ein Rückstrom, schaltet der LTC4364 den MOSFET M1 aus, wenn die Spannung am Out-Pin unter Massepotenzial sinkt, unterbricht damit den Durchlassstrompfad und verhindert so eine Batterieentleerung am Eingang.

Bild 9b zeigt das Ergebnis, wenn -12 V am Ausgang anliegen. Der LTC4364 verbindet dann sofort den HGate-Pin mit dem Source-Pin (der folgt der Ausgangsspannung), das schaltet den MOSFET M1 ab, und der Eingang ist vom fehlerhaften Ausgang abgetrennt.

Bild 9b: LTC4364 Ausgangsschutz. Liegt der Ausgang unter GND-Potenzial, geht der HGate-Pin auf Source-Pin-Potenzial und unterbricht den Durchlassstrom, um am Eingang Batteriekapazität einzusparen.

Bild 9b: LTC4364 Ausgangsschutz. Liegt der Ausgang unter GND-Potenzial, geht der HGate-Pin auf Source-Pin-Potenzial und unterbricht den Durchlassstrom, um am Eingang Batteriekapazität einzusparen.Linear Technology

Die Out- und Sense-Pins des LTC4364 überstehen bis zu 100 V über und 20 V unter Massepotenzial. Bei Applikationen, bei denen der Ausgang Massepotenzial haben kann, können Keramik-Bypass-Kondensatoren mit passendem Spannungsbereich am Ausgang verwendet werden, um zur Minimierung des kapazitiven Durchgriffs auf Eingangstransienten die Spannung zu stabilisieren und den Strom zu begrenzen. Eine Diode mit geringem Leckstrom (D2 in Bild 8) sollte zum Schutz des FB-Pin verwendet werden.

Zhizhong Hou

ist Design Engineer, Mixed Signal Products, bei der Linear Technology Corp./USA

(jj)

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