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來源：Digi-Key 作者：Alan Yang 在汽車、工業(yè)、通信和航空等領(lǐng)域，電路系統(tǒng)不可避免地要在一系列惡劣的環(huán)境下工作，如過電壓、過電流、浪涌事件。本文將闡述：電路保護存在哪些挑戰(zhàn)，以及如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。 電路保護的挑戰(zhàn) 我們想象中的供電電壓波形可能是一條平的直線，沒有起伏，而現(xiàn)實中的電壓波形可能存在非常大的起伏。以汽車電子舉例，以下情況均會引起電壓很大的波動： 
圖1：汽車電子應(yīng)用中，可能遇到的電路保護挑戰(zhàn)（圖片來源：ADI） 這份電路保護解決方案大全，請查收！
圖2：理想中地電壓波形對比現(xiàn)實中地電壓波形（圖片來源：ADI） 在ISO 7637-2和ISO 16750-2規(guī)范中，詳細描述了汽車行業(yè)的瞬態(tài)事件，以及如何測試。 應(yīng)對電路保護挑戰(zhàn)的方案有許多種，可以通過被動保護器件，如TVS管、保險絲等加以保護，也可以通過主動浪涌抑制器來加以保護。 被動保護器件 下圖是典型的傳統(tǒng)電路保護方案：
圖3：典型地傳統(tǒng)電路保護保護方案 （圖片來源：ADI） 當(dāng)輸入電壓過高，可以使用瞬態(tài)電壓抑制器件，如瞬態(tài)抑制二極管（TVS），把過多的能量傳導(dǎo)到地。當(dāng)電流過大，可以串聯(lián)保險絲，過大地電流會使保險絲熔斷，從而保護電路。 · 瞬態(tài)電壓抑制器件 它們結(jié)構(gòu)和特性有一定的區(qū)別，但都有類似的工作方式：當(dāng)電壓超過器件閾值時，分流多余的電流。
圖4：通過TVS解決浪涌原理 （圖片來源：ADI） 當(dāng)輸入端出現(xiàn)過電壓情況時，TVS導(dǎo)通，并通過將多余的能量分流到地（GND），來保護電路免受過壓的危險。 不同瞬態(tài)電壓抑制器件具有不同的響應(yīng)時間：
盡管TVS裝置能有效地抑制非常高的電壓偏移，但當(dāng)面臨持續(xù)的過電壓事件時，它們不能免受損壞，因此需要定期監(jiān)測或更換裝置。而GDT的響應(yīng)時間可能只有幾微秒，但可以處理更大的浪涌。 · 過流保護元件 串聯(lián)保險絲，當(dāng)電路電流過大時，會使保險絲熔斷，從而保護電路。但保險絲同時也帶來了維護更換的問題。解決這個問題，也可使用可復(fù)位保險絲（PTC）降低維護要求。 可復(fù)位保險絲可以看成一個正溫度系數(shù)地電阻，電流越大，自身發(fā)熱越大，導(dǎo)致自身電阻急劇增加，從而達到抑制電流的效果。
保險絲熔斷時間是一個重要的參數(shù)，在Digi-Key網(wǎng)站可以根據(jù)響應(yīng)時間快、中、慢來選擇合適地保險絲。
圖5：根據(jù)保險絲熔斷時間進行選型 保險絲響應(yīng)時間不是越快越好，如一些電機應(yīng)用，啟動電流可能非常大，導(dǎo)致在啟動階段誤操作，燒壞了保險絲。同樣在更換保險絲的時候，需要注意，更換保險絲的響應(yīng)時間最好和之前使用地保險絲一致，否則可能會有意想不到風(fēng)險。 當(dāng)然被動保護器件不止幾種，也可以使用二極管來應(yīng)對反極性連接的問題，或者通過電容電感構(gòu)成的濾波器來解決較小的瞬態(tài)電流電腦。這些方法非常直觀，同時也面臨一些問題，比如面對較大的瞬態(tài)電壓電流，需要大體積得被動過保護器件，并且可能需要維護。 主動保護器件：浪涌抑制器 主動保護器件用得好，可以大大減少保護元器件的占地空間，并解決可能的維護困難的問題。 主動浪涌抑制器有很多種類，可以根據(jù)開關(guān)放在芯片外面還是集成在芯片里面分分為： · 內(nèi)部開關(guān)浪涌抑制器 · 外部開關(guān)浪涌抑制器 常見的應(yīng)用拓撲結(jié)構(gòu)，包括以下幾種： · 浪涌抑制器：線性 浪涌抑制器的保護原理類似于線性穩(wěn)壓器。如下圖，浪涌抑制器監(jiān)測輸入電壓和電流。保護閾值由連接輸出端的反饋網(wǎng)絡(luò)決定。通過調(diào)節(jié)N溝道MOS管柵極，從而將MOS管輸出電壓鉗制在相應(yīng)的范圍。
圖6：浪涌抑制器：線性（圖片來源：ADI） 同時為了保護MOS管，一般通過一個電容故障定時器（TMR）來限制MOS管在高損耗區(qū)花費的時間。定時器本質(zhì)上是一個對地電容器。當(dāng)發(fā)生過電壓情況時，內(nèi)部電流源開始給外部電容充電。一旦這個電容達到一定的閾值電壓，關(guān)閉MOS管。 對于過流保護，如上圖，一般通過一個電流檢測電阻來監(jiān)測。當(dāng)過流情況出現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)MOS管柵極來保證電流在限制范圍之內(nèi)。 → 典型芯片：LT4363 · 浪涌抑制器：開關(guān) 對于高功率應(yīng)用，開關(guān)浪涌抑制器是一個不錯的選擇。其原理與開關(guān)電源、DC-DC轉(zhuǎn)換器類似。閾值由輸出端的反饋網(wǎng)絡(luò)決定，通過調(diào)節(jié)N溝道MOS管柵極，將MOS管的輸出電壓鉗制在電阻分壓器設(shè)置的電平。
圖7：浪涌抑制器：開關(guān)（圖片來源：ADI） 與線性浪涌抑制器一樣，它也用一個故障定時器（TMR），來保護MOS管。上圖的綠線是電容上的累積電壓，我們可以看到，這個電壓隨著浪涌的出現(xiàn)開始累積，直至浪涌結(jié)束開始釋放。 → 典型芯片：LTC7860 · 浪涌抑制器：門限電壓 這種浪涌抑制器的閾值，不由輸入電壓與反饋網(wǎng)絡(luò)決定。而是通過設(shè)置內(nèi)部鉗位電壓（也可以外加一個肖特基二極管來設(shè)置鉗位電壓），來限制住MOS管柵極電壓。而MOS管的閾值電壓決定輸出電壓極限。
圖8：浪涌抑制器：門限電壓 （圖片來源：ADI） 例如，使用內(nèi)部31.5V的柵極鉗位和5V的MOS管閾值電壓，輸出電壓被限制為26.5V。 → 典型芯片：LTC4380 · 保護控制器：輸出斷開 與浪涌抑制器一樣，監(jiān)測過輸入電壓和電流的情況，但他不是鉗制或調(diào)節(jié)輸出，而是立即斷開輸出以保護下游電子設(shè)備。這種簡單的保護電路可以有一個非常緊湊的封裝，適合電池供電，便攜式設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域。
圖9：保護控制器：輸出斷開 （圖片來源：ADI） 如上圖，保護控制器通過分壓電阻來監(jiān)測輸入電壓，形成一個從UV到OV地電壓窗口。當(dāng)輸入電壓超出電壓窗口范圍，馬上通過MOS管斷開輸出。 如上圖，該方案使用背靠背MOS管，可以有效防止電壓地反向輸入。輸出端的電流檢測電阻，通過持續(xù)監(jiān)測正向電流來實現(xiàn)過電流保護功能。 → 典型芯片：LTC4368 本文小結(jié) 電路保護有各式各樣種，我們將他們的類型和特性總結(jié)如下： · 被動保護器件
· 主動浪涌抑制器
如果想最大限度地減少下游電子設(shè)備的停機時間，可以重點關(guān)注一下線性型或者開關(guān)型浪涌抑制器。 當(dāng)然，對應(yīng)地電路保護器件不止這些。最重要的是，首先要了解你的項目中可能會出現(xiàn)的過電壓、過電流、浪涌等各種潛在的危險情況，然后再根據(jù)項目具體的要求——如可靠性、反應(yīng)速度、產(chǎn)品尺寸等要求——對癥下藥，合理選擇合適的電路保護方案，這樣才能事半功倍。 |
