问题

如何设计过压保护电路?

回答
好的,咱们就来聊聊怎么设计一个靠谱的过压保护电路,保证咱们的设备安全。这玩意儿可不是简单地插个元件就能完事儿,得根据具体情况来细细琢磨。

咱们先从最基础的出发,理解一下为什么需要过压保护。简单来说,就是当输入电压超过了设备或元器件能承受的范围时,会造成损坏。想象一下,你给一个只能承受 5V 的设备喂了 12V,那结果嘛… 烧毁是小事,有时候还会引发火灾或者爆炸,那可就麻烦大了。所以,过压保护就是一道坚实的防火墙。

过压保护电路的设计思路

设计一个过压保护电路,核心就是要“检测”和“响应”。

检测:怎么知道电压是不是超了?这就需要一个能够监测输入电压的元件或电路。
响应:一旦发现电压超了,怎么办?这就需要一个能够快速切断电源或者转移掉多余能量的机制。

咱们可以从几个层面来考虑这个问题:

1. 保护的对象和过压的范围

在设计之前,最重要的一点是明确:

你保护的是什么? 是一个小的单片机?一个功率较大的电机驱动器?还是整个电源系统?不同的负载对过压的耐受能力和响应速度要求是不同的。
你的正常工作电压是多少? 比如说,你的设计是工作在 12V,但可能需要承受 5% 的波动(±0.6V),那么一个稍微高一点的电压,比如 15V,就可能触发保护了。
过压的阈值电压是多少? 这个阈值需要比正常工作电压高,但又不能太高,以免在电压异常升高但尚未造成严重损坏之前保护就被触发,影响正常工作。通常会设定一个“安全裕量”。
过压的持续时间? 有时候短暂的尖峰电压(比如开关电源启动时的瞬间电压升高)可能不会造成损坏,但持续的过压就很有危险了。所以,保护电路的设计也需要考虑响应时间。

2. 常用的过压保护元件和方案

有了上面的基本概念,咱们来看看有哪些常用的工具可以帮咱们实现过压保护:

稳压二极管 (Zener Diode):这是最简单、最常见的过压保护元件之一。
工作原理:稳压二极管在反向击穿时,会维持一个相对稳定的电压。当输入电压超过稳压二极管的击穿电压时,它就开始导通,并将多余的电流引走。
设计应用:可以将稳压二极管与一个限流电阻串联后接到被保护电路的输入端。当输入电压升高时,稳压二极管导通,将多余电流通过限流电阻分流,从而保护后续电路。
优点:简单、成本低廉。
缺点:
功率限制:稳压二极管本身能承受的功率有限,如果过压时流过的电流很大,稳压二极管可能会烧毁。需要配合限流电阻,但限流电阻也会消耗功率。
响应速度:虽然不算慢,但在一些高速应用中可能不够快。
精度:稳压二极管的稳压值会有一定的偏差,且随温度变化。
功耗:在正常工作电压下,稳压二极管虽然不导通,但仍有一部分漏电流,可能会造成微小的功率损耗。

瞬变电压抑制二极管 (TVS Diode):这是比稳压二极管更强力的过压保护元件。
工作原理:TVS二极管的响应速度比稳压二极管快得多,能够在纳秒级别吸收瞬态过压。它具有钳位特性,当电压超过其击穿电压时,会迅速导通,吸收过量的能量。
设计应用:通常直接并联在被保护电路上。当检测到过压时,TVS二极管导通,将过压钳位在一个相对安全的水平。
优点:
响应速度快:非常适合保护对瞬态过压敏感的电路。
钳位能力强:能吸收较大的瞬态功率。
封装多样:有各种功率等级和封装可选。
缺点:
成本相对较高:比普通稳压二极管贵。
漏电流:在正常工作电压下仍有漏电流,但通常比稳压二极管小。
不能承受持续过压:如果持续过压超过其额定功率,TVS也会损坏。

保险丝 (Fuse):虽然它不是直接“钳位”电压,但它是最基础的过流保护,很多过压情况会伴随过流。
工作原理:当电流超过其额定值时,保险丝会熔断,切断电路。
设计应用:串联在电源输入端。
优点:简单、便宜、可靠。
缺点:
熔断后需要更换:一次性元件。
对过压不直接起作用:而是对因过压导致的过流起作用。
响应速度慢:熔断需要一定时间。

自恢复保险丝 (PTC Fuse):
工作原理:是一种具有温度敏感性的电阻。当电流过大导致其温度升高时,其电阻值会急剧增大,限制电流。当电流恢复正常后,其温度下降,电阻值恢复正常。
设计应用:串联在电源输入端。
优点:可重复使用,无需更换。
缺点:
复位时间较长:需要一段时间才能恢复。
精度和响应不如普通保险丝:对温度变化敏感。

比较器 + MOSFET/继电器:这是一个更主动的过压保护方案。
工作原理:使用一个电压比较器来监测输入电压。当输入电压超过预设的阈值时,比较器输出一个信号,控制一个MOSFET(功率开关管)或继电器断开主电源。
设计应用:
电压检测:可以使用一个分压电路将输入电压分压,然后送入比较器。
比较器:常见的有 LM339、LM393 等。需要设定一个基准电压作为参考。
MOSFET:作为电子开关,快速切断电源。需要根据电源电压和电流选择合适的MOSFET。
继电器:对于大电流或需要隔离的场合,可以使用继电器。
优点:
保护阈值可调:精度高,可以通过电阻值精确设置。
响应速度快:可以做到微秒级。
可控性强:可以配合其他逻辑电路实现更复杂的功能。
功率开关能力强:MOSFET 可以处理较大的电流和电压。
缺点:
电路复杂:需要更多的元件,如比较器、基准源、MOSFET 等。
成本较高:比被动元件复杂。

专用过压保护IC (OVP IC):
工作原理:市面上有许多集成化的过压保护芯片,它们内部集成了电压检测、比较、控制等功能,只需要少量外围元件即可构成完整的过压保护电路。
设计应用:根据芯片手册的要求连接即可。
优点:
设计简单、快速:集成度高,省时省力。
性能稳定、可靠:经过专业设计和测试。
功能丰富:有些芯片还集成了过流保护、欠压锁定等功能。
缺点:
选择范围广,需要仔细选型:不同芯片适用于不同的电压、电流范围和应用场景。
成本相对较高:但总体设计成本可能更低。

3. 如何选择合适的方案

这就像给你一把锤子,你得知道什么时候用它敲钉子,什么时候用它砸核桃。

小功率、低成本要求高:稳压二极管 + 限流电阻,或者一个低功率的 TVS。如果对瞬态保护要求不高,保险丝也是不错的补充。
对瞬态过压敏感的设备(如精密仪器、通讯设备):首选 TVS 二极管,或者选用响应速度快的比较器 + MOSFET 方案。
中大功率、需要精确可控的保护:比较器 + MOSFET 或专用的 OVP IC 是更好的选择。你可以根据需要的保护等级、响应速度和成本来权衡。
需要频繁断开、保护后能自动恢复:自恢复保险丝,或者比较器 + MOSFET 方案(设计成延时恢复或手动复位)。

4. 实际设计中的注意事项

光知道原理和元件还不够,实际动手的时候还有些细节需要注意:

功率匹配:无论你选择哪种元件,都要确保它在过压情况下能够承受的功率。计算过压时可能流过的电流,并选择额定功率大于该电流所需的元件。别忘了功率损耗,特别是电阻和稳压管的功率。
响应速度:根据被保护电路的敏感度来选择响应速度合适的保护元件。如果电路对快速的电压尖峰很敏感,那么 TVS 或比较器+MOSFET 是必须的。
钳位电压/保护阈值:这个值直接关系到保护的有效性。太低会误触发,太高则起不到保护作用。需要仔细计算或参考被保护器件的规格书。
串联与并联:
并联:TVS、稳压二极管通常是并联在被保护电路上,当电压过高时,它们导通并将多余电压“分流”走。
串联:保险丝、自恢复保险丝是串联在电路上,用来切断电流。MOSFET 作为开关也是串联的。
限流电阻的选型:如果使用稳压二极管,限流电阻的阻值需要根据输入电压、稳压值、稳压管的额定功率来计算。电阻的功率也要足够大,以免烧毁。
MOSFET 的选型:选择导通电阻小 (Rds(on)) 的 MOSFET 以减少导通损耗;耐压要高于你的最大输入电压;驱动电压要能被你的控制信号(如比较器输出)可靠驱动。
PCB 布局:保护电路离电源输入端越近越好,减少寄生电感的影响。高功率元件需要有足够的散热空间。
多级保护:在某些关键场合,可能会采用多级保护。例如,先用一个保险丝作为第一道防线,然后用 TVS 或比较器+MOSFET 作为第二道更精密的保护。
测试验证:设计完成后,一定要进行充分的测试。用可调电源模拟各种过压情况,观察保护电路的响应,并检查被保护电路是否完好。测试不同幅度和持续时间的过压。

举个例子:设计一个简单的 5V USB 设备过压保护

假设你要保护一个通过 USB 供电的设备,正常工作电压是 5V,但你希望它能承受最高 7V 的电压,超过 7V 就需要切断电源。

1. 保护目标:5V USB 设备。
2. 正常电压:5V。
3. 过压阈值:7V。
4. USB 电流:通常小于 1A(非快充时)。

方案选择:

简单方案:
保险丝:先串联一个 1A 的保险丝,防止过流损坏。
TVS 二极管:选择一个工作电压在 5.5V 左右,击穿电压在 7V 左右的 TVS 二极管,并联在 USB 的 VBUS 和 GND 之间。选择一个功率足够大的 TVS 来应对瞬态浪涌。
稳压二极管:可以选择一个 5.6V 的稳压二极管,与一个合适的限流电阻串联,再并联在 VBUS 和 GND 之间。限流电阻的阻值需要计算,例如,假设稳压管击穿电压是 5.6V,你想让它在 7V 时导通,那么分压到稳压管的电压是 7V。如果稳压管的额定功率是 1W,那么通过它的电流不能超过 1W / 5.6V ≈ 178mA。如果正常工作时稳压管不导通,那么限流电阻需要足够大,才能让通过稳压管的电流很小。当电压达到 7V 时,稳压管导通,限制电压在 5.6V 左右。但这个方案在 7V 时,电流会通过稳压管,如果 USB 接口能提供较大的电流,稳压管很快会烧毁,所以需要一个大功率的限流电阻。

主动保护方案:
检测:使用一个 TL431 或一个精密稳压源作为参考,与一个分压电阻一起,检测 USB 的 VBUS 电压。
比较器:将检测到的电压送入一个比较器(如 LM393)。
开关:比较器输出控制一个 Pchannel MOSFET。当 VBUS 电压超过阈值时,比较器翻转,MOSFET 导通,切断 VBUS 到设备的连接。
考虑反向电流:如果设备内部有电池或电容,在断电后可能会有反向电流回冲,需要考虑在 MOSFET 前加一个二极管,或者选用带反向阻断功能的 MOSFET。

设计这个例子的时候,你会发现,简单方案虽然便宜,但保护能力有限,容易损坏;主动方案虽然复杂点,但保护更精确、更可靠。

总结一下

设计过压保护电路,是一个在可靠性、成本、性能之间权衡的过程。没有最好的方案,只有最适合你应用的方案。关键是要弄清楚你的需求,然后去选择最合适的元件和最合适的组合。多做功课,多看 datasheet,多动手实践,你就能设计出稳固的过压保护电路了。别怕失败,每一次失败都是学习和进步的机会。

希望这些内容能帮到你! 如果还有什么不清楚的地方,随时可以再问。

网友意见

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电子电路很容易在过压、过流、浪涌等情况发生的时候损坏,随着技术的发展,电子电路的产品日益多样化和复杂化,而电路保护则变得尤为重要。电路保护元件也从简单的玻璃管保险丝,变得种类更多,防护性能更优越。




电路保护的意义是什么?



在各类电子产品中,设置过压保护和过流保护变得越来越重要,那么电路保护的意义到底是什么,今天就来跟大家聊一聊:

(1)由于如今电路板的集成度越来越高,板子的价格也跟着水涨船高,因此我们要加强保护。

(2)半导体器件,IC的工作电压有越来越低的趋势,而电路保护的目的则是降低能耗损失,减少发热现象,延长使用寿命。



(3)车载设备,由于使用环境的条件比一般电子产品更加恶劣,汽车行驶状况万变,汽车启动时产生很大的瞬间峰值电压等。因此,在为这些电子设备配套产品的电源适配器中,一般要使用过压保护元件。

(4)通信设备,通信场所对防雷浪涌有一定的要求,在这些设备中使用过压保护、过流保护元件就变得重要起来,它们是保证用户人身安全和通信正常的关键。

(5)大部分电子产品出现的故障,都是电子设备电路中出现的过压或者电路现象造成的,随着我们对电子设备质量的要求越来越高,电子电路保护也变得更加不容忽视。

那么电路保护如此重要,常用的电路保护元件有哪些?今天就给大家介绍几种。



一、防雷器件



1、陶瓷气体放电管:

防雷器件中应用最广泛的是陶瓷气体放电管,之所以说陶瓷气体放电管是应用最广泛的防雷器件,是因为无论是直流电源的防雷还是各种信号的防雷,陶瓷气体放电管都能起到很好的防护作用。



其最大的特点是通流量大,级间电容小,绝缘电阻高,击穿电压可选范围大。




2、半导体放电管:

半导体放电管是一种过压保护器件,是利用晶闸管原理制成的,依靠PN结的击穿电流触发器件导通放电,可以流过很大的浪涌电流或脉冲电流。其击穿电压的范围,构成了过压保护的范围。



固体放电管使用时可直接跨接在被保护电路两端。具有精确导通、快速响应(响应时间ns级)、浪涌吸收能力较强、双向对称、可靠性高等特点。




3、玻璃放电管:

玻璃放电管(强效放电管、防雷管)是20世纪末新推出的防雷器件,它兼有陶瓷气体放电管和半导体过压保护器的优点:绝缘电阻高(≥10^8Ω)、极间电容小(≤0.8pF)、放电电流较大(最大达3 kA)、双向对称性、反应速度快(不存在冲击击穿的滞后现象)、性能稳定可靠、导通后电压较低,



此外还有直流击穿电压高(最高达5000V)、体积小、寿命长等优点。其缺点是直流击穿电压分散性较大(±20%)。




二、过压器件



1、压敏电阻:

压敏电阻也是一种用得最多的限压器件。利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。


压敏电阻的响应时间为ns级,比空气放电管快,比TVS管稍慢一些,一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的数量级范围,很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中,应用在交流电路的保护中时,因为其结电容较大会增加漏电流,在设计防护电路时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量较大,但比气体放电管小。



2、贴片压敏电阻的作用:

贴片压敏电阻主要用于保护元件和电路,防止在电源供应、控制和信号线产生的ESD。


3、瞬态抑制二极管:

瞬态抑制器TVS二极管广泛应用于半导体及敏感器件的保护,通常用于二级保护。基本都会是用于在陶瓷气体放电管之后的二级保护,也有用户直接将其用于产品的一级保护。



其特点为反应速度快(为 ps 级) ,体积小 ,脉冲功率较大 ,箝位电压低等。其 10/1000μs波脉冲功率从400W ~30KW,脉冲峰值电流从 0.52A~544A ;击穿电压有从6.8V~550V的系列值,便于各种不同电压的电路使用。



三、过流器件



1、自恢复保险丝:

自恢复保险丝PPTC就是一种过流电子保护元件,采用高分子有机聚合物在高压、高温,硫化反应的条件下,搀加导电粒子材料后,经过特殊的工艺加工而成。自恢复保险丝(PPTC:高分子自恢复保险丝)是一种正温度系数聚合物热敏电阻,作过流保护用,可代替电流保险丝。

电路正常工作时它的阻值很小(压降很小),当电路出现过流使它温 度升高时,阻值急剧增大几个数量级,使电路中的电流减小到安全值以下,从而使后面的电路得到保护,过流消失后自动恢复为低阻值。



四、静电元件



1、ESD静电放电二极管:

ESD静电放电二极管是一种过压、防静电保护元件,是为高速数据传输应用的I/O端口保护设计的器件。ESD静电二极管是用来避免电子设备中的敏感电路受到ESD(静电放电)的影响。

可提供非常低的电容,具有优异的传输线脉冲(TLP)测试,以及IEC6100-4-2测试能力,尤其是在多采样数高达1000之后,进而改善对敏感电子元件的保护。

2、电感的作用:

电磁的关系相信大家都清楚,电感的作用就是在电路刚开始的时候,一切还不稳定的时候,如果电感中有电流通过,就一定会产生一个与电流方向相反的感应电流(法拉第电磁感应定律),等到电路运行了一段时间后,一切都稳定了,电流没有什么变化了,电磁感应也就不会产生电流,这时候就稳定了,不会出现突发性的变故,从而保证了电路的安全,就像水车,一开始由于阻力转动的比较慢,后来慢慢趋于平和。



3、磁珠的作用:

磁珠有很高的电阻率和磁导率,他等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。他比普通的电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果,在以太网芯片上用到过。

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