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周四, 3 六月 2021 - 15:36

作者：Alan Yang，来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/Ry2i-NL_MLS8nI4P1xOgmg">得捷电子DigiKey</a>…;

在汽车、工业、通信和航空等领域，电路系统不可避免地要在一系列恶劣的环境下工作，如过电压、过电流、浪涌事件。本文将阐述：电路保护存在哪些挑战，以及如何应对这些挑战。

电路保护的挑战

我们想象中的供电电压波形可能是一条平的直线，没有起伏，而现实中的电压波形可能存在非常大的起伏。以汽车电子举例，以下情况均会引起电压很大的波动：

图1：汽车电子应用中，可能遇到的电路保护挑战（图片来源：ADI）

图2：理想中地电压波形对比现实中地电压波形（图片来源：ADI） 
  
在ISO 7637-2和ISO 16750-2规范中，详细描述了汽车行业的瞬态事件，以及如何测试。

应对电路保护挑战的方案有许多种，可以通过被动保护器件，如TVS管、保险丝等加以保护，也可以通过主动浪涌抑制器来加以保护。

被动保护器件

下图是典型的传统电路保护方案：

图3：典型地传统电路保护保护方案（图片来源：ADI）

当输入电压过高，可以使用瞬态电压抑制器件，如瞬态抑制二极管（TVS），把过多的能量传导到地。当电流过大，可以串联保险丝，过大地电流会使保险丝熔断，从而保护电路。

<ul>
<li>瞬态电压抑制器件</li>
</ul>

它们结构和特性有一定的区别，但都有类似的工作方式：当电压超过器件阈值时，分流多余的电流。

图4：通过TVS解决浪涌原理（图片来源：ADI） 
  
当输入端出现过电压情况时，TVS导通，并通过将多余的能量分流到地（GND），来保护电路免受过压的危险。

不同瞬态电压抑制器件具有不同的响应时间：

尽管TVS装置能有效地抑制非常高的电压偏移，但当面临持续的过电压事件时，它们不能免受损坏，因此需要定期监测或更换装置。而GDT的响应时间可能只有几微秒，但可以处理更大的浪涌。

<ul>
<li>过流保护元件</li>
</ul>

串联保险丝，当电路电流过大时，会使保险丝熔断，从而保护电路。但保险丝同时也带来了维护更换的问题。解决这个问题，也可使用可复位保险丝（PTC）降低维护要求。

可复位保险丝可以看成一个正温度系数地电阻，电流越大，自身发热越大，导致自身电阻急剧增加，从而达到抑制电流的效果。

保险丝熔断时间是一个重要的参数，在Digi-Key网站可以根据响应时间快、中、慢来选择合适地保险丝。

图5：根据保险丝熔断时间进行选型

保险丝响应时间不是越快越好，如一些电机应用，启动电流可能非常大，导致在启动阶段误操作，烧坏了保险丝。同样在更换保险丝的时候，需要注意，更换保险丝的响应时间最好和之前使用地保险丝一致，否则可能会有意想不到风险。

当然被动保护器件不止几种，也可以使用二极管来应对反极性连接的问题，或者通过电容电感构成的滤波器来解决较小的瞬态电流电脑。这些方法非常直观，同时也面临一些问题，比如面对较大的瞬态电压电流，需要大体积得被动过保护器件，并且可能需要维护。

<ul>
<li>主动保护器件：浪涌抑制器</li>
</ul>

主动保护器件用得好，可以大大减少保护元器件的占地空间，并解决可能的维护困难的问题。

主动浪涌抑制器有很多种类，可以根据开关放在芯片外面还是集成在芯片里面分分为：

<ol>
<li>内部开关浪涌抑制器</li>
<li>外部开关浪涌抑制器</li>
</ol>

常见的应用拓扑结构，包括以下几种：

<ul>
<li>浪涌抑制器：线性</li>
</ul>

浪涌抑制器的保护原理类似于线性稳压器。如下图，浪涌抑制器监测输入电压和电流。保护阈值由连接输出端的反馈网络决定。通过调节N沟道MOS管栅极，从而将MOS管输出电压钳制在相应的范围。

图6：浪涌抑制器：线性（图片来源：ADI）

同时为了保护MOS管，一般通过一个电容故障定时器（TMR）来限制MOS管在高损耗区花费的时间。定时器本质上是一个对地电容器。当发生过电压情况时，内部电流源开始给外部电容充电。一旦这个电容达到一定的阈值电压，关闭MOS管。

对于过流保护，如上图，一般通过一个电流检测电阻来监测。当过流情况出现，通过调节MOS管栅极来保证电流在限制范围之内。

→ 典型芯片：LT4363

<ul>
<li>浪涌抑制器：开关</li>
</ul>

对于高功率应用，开关浪涌抑制器是一个不错的选择。其原理与开关电源、DC-DC转换器类似。阈值由输出端的反馈网络决定，通过调节N沟道MOS管栅极，将MOS管的输出电压钳制在电阻分压器设置的电平。

图7：浪涌抑制器：开关（图片来源：ADI）

与线性浪涌抑制器一样，它也用一个故障定时器（TMR），来保护MOS管。上图的绿线是电容上的累积电压，我们可以看到，这个电压随着浪涌的出现开始累积，直至浪涌结束开始释放。

→ 典型芯片：LTC7860

<ul>
<li>浪涌抑制器：门限电压</li>
</ul>

这种浪涌抑制器的阈值，不由输入电压与反馈网络决定。而是通过设置内部钳位电压（也可以外加一个肖特基二极管来设置钳位电压），来限制住MOS管栅极电压。而MOS管的阈值电压决定输出电压极限。

图8：浪涌抑制器：门限电压（图片来源：ADI）

例如，使用内部31.5V的栅极钳位和5V的MOS管阈值电压，输出电压被限制为26.5V。 
  
→ 典型芯片：LTC4380

<ul>
<li>保护控制器：输出断开</li>
</ul>

与浪涌抑制器一样，监测过输入电压和电流的情况，但他不是钳制或调节输出，而是立即断开输出以保护下游电子设备。这种简单的保护电路可以有一个非常紧凑的封装，适合电池供电，便携式设备等应用领域。 
<img alt="保护控制器：输出断开" data-entity-type="file" data-entity-uuid="df31d3b3-ab2b-4a44-8277-a9dbd81f1788" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE9%EF%BC%9A%E4%BF%9D%E6%8A%A4%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8%EF%BC%9A%E8%BE%93%E5%87%BA%E6%96%AD%E5%BC%80.png" />

图9：保护控制器：输出断开（图片来源：ADI） 
  
如上图，保护控制器通过分压电阻来监测输入电压，形成一个从UV到OV地电压窗口。当输入电压超出电压窗口范围，马上通过MOS管断开输出。

如上图，该方案使用背靠背MOS管，可以有效防止电压地反向输入。输出端的电流检测电阻，通过持续监测正向电流来实现过电流保护功能。

→ 典型芯片：LTC4368

本文小结

电路保护有各式各样种，我们将他们的类型和特性总结如下：

<ul>
<li>被动保护器件</li>
</ul>

<ul>
<li>主动浪涌抑制器</li>
</ul>

如果想最大限度地减少下游电子设备的停机时间，可以重点关注一下线性型或者开关型浪涌抑制器。

当然，对应地电路保护器件不止这些。最重要的是，首先要了解你的项目中可能会出现的过电压、过电流、浪涌等各种潜在的危险情况，然后再根据项目具体的要求——如可靠性、反应速度、产品尺寸等要求——对症下药，合理选择合适的电路保护方案，这样才能事半功倍。