基于MOS的有源钳位防护方案

在业界的浪涌防护设计中,除了TVS被动钳位,还有种基于MOS的有源钳位方案,当电压超过阈值时,它像个阀门一样主动开阀泄流,从而将电压钳住。

其部分特性与TVS不同,下面我们先从TVS方案讲起。

TVS钳位方案

TVS,Transient Voltage Suppression,即瞬态电压抑制二极管,TVS反向并联在电路中,当电路正常工作时,处于高阻状态(截止),可以理解为开路;而当有异常高压时,TVS迅速由高阻状态变为低阻状态,用自己的身躯泄放异常高压(自身流过瞬时大电流),把异常高压钳制在后级电路可承受的电压之内,保护后级电路免遭高压击穿。当异常过电压消失后,TVS又恢复为高阻态。

关于TVS的参数解释,可以参考如下文档:

敢死之士,TVS参数简要探讨

MOS有源钳位方案

除了TVS浪涌防护方案,业界还有种基于MOS的有源钳位方案。

有源钳位,Active Clamp,在这种技术中,MOS作为功率器件,扮演着主动控制的角色,而不是TVS那种被动的角色。

其核心原理是实时监测Vin的电压,一旦超过设定的阈值,立即通过反馈控制,让MOS进入可变电阻区,像打开水龙头一样,耗散过压能量,从而将电压钳位在安全水平。

如下图,是一种较为简洁的有源钳位方案,它通过小功率齐纳二极管来检测过压。在正常情况下,齐纳二极管不导通,MOS也处于摸鱼状态,电路几乎没有漏电流;但如果Vin电压瞬间升高,齐纳二极管将导通,然后控制MOS的栅极电压,使MOS进入可变电阻区。随后MOS耗散过压能量,最终将Vin电压钳位在一个略高于齐纳二极管稳压值的值。

在实践中,我们可以通过齐纳二极管的选型来选择电路的保护电压。

但是,齐纳二极管这种器件稳压值容差较大,不精准。如果需要更为精密的钳位电路,可替换为精密电压基准+比较器方案,它更为精准。

如下图,当Vin因浪涌、感应电压等异常原因而上升,并超过阈值时,比较器动作,随后驱动MOS的栅极,MOS从截止区进入可变电阻区而耗散浪涌能量,其漏源极之间的导通电阻 Rds(on) 受栅极电压控制。

总结

与TVS方案相比,有源钳位方案的设计更复杂、成本更高、速度更慢。

但保护电压更为精准,且处理能量的水平可以做到高于TVS的程度(在设计时,也要对MOS的SOA进行严格评估)。

更重要的一点,在手机防护设计上,有一种巧妙的措施:如下图,可以复用原先的防烧MOS,做成有源钳位一体化器件,从而降低成本,减小布局面积,可谓一举两得。

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