有源瞬變高壓保護(hù)器

絕大多數(shù)電子系統(tǒng)需要過(guò)壓、電池反接和瞬變保護(hù)。這些強(qiáng)干擾會(huì)降低系統(tǒng)性能、使功能失常、甚至損壞電子部件。例如，在汽車(chē)電子系統(tǒng)中，電子模塊是由汽車(chē)電池直接或間接供電的，即便在正常工作條件下也會(huì)產(chǎn)生各種電氣干擾，并通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)以傳導(dǎo)、耦合和輻射方式影響各模塊中的電子部件。干擾源包括點(diǎn)火系統(tǒng)、電機(jī)、開(kāi)關(guān)抖動(dòng)以及“負(fù)載泵”效應(yīng)(即直流馬達(dá)工作時(shí)切斷電源所產(chǎn)生的電壓)等。負(fù)載泵效應(yīng)可持續(xù)幾百毫秒，電壓超過(guò)100V。另一個(gè)危害是汽車(chē)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)器會(huì)讓電源電壓從12V突然降至5V，至少能持續(xù)數(shù)十毫秒，使電子系統(tǒng)瞬時(shí)不能工作。最后，一些誤操作，比如電池接反了，也是要考慮到的。

　　標(biāo)準(zhǔn)分立器件

　　在電路板一級(jí)，用來(lái)箝制電壓的常用器件有：

　　·壓敏電阻(Varistor)：壓敏電阻是一種非線(xiàn)性電阻元件，電阻值隨電壓而變，在高于某個(gè)阻值時(shí)，電阻突然降低，從而使過(guò)電壓箝位在一定值。它的功能類(lèi)似于兩個(gè)背靠背的穩(wěn)壓二極管，因而能箝制正電壓，也能箝制負(fù)電壓。外面用環(huán)氧樹(shù)脂包封。由于它的突波承受能力取決于它的物理尺寸，因而有可能獲得較高的浪涌電流值，但在接近擊穿電壓處漏電較大，且擊穿電壓隨流過(guò)的電流而稍有增加。還有一點(diǎn)要注意，壓敏電阻可靠性較差，易老化。嚴(yán)格地說(shuō)，它是一次性使用的，因?yàn)槭艿竭^(guò)壓沖擊后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的變化。

　　·瞬變電壓抑制二極管(TVS)：這是一種在穩(wěn)壓二極管基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)品。當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高速度使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。TVS的電路符號(hào)與普通穩(wěn)壓二極管相同，它的正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。由于它具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流小、箝位電壓較易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地使用。

　　傳統(tǒng)保護(hù)電路

　　一種簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的保護(hù)敏感電路的方法如圖1(a)所示，即在負(fù)載處并聯(lián)一個(gè)箝位元件，如TVS二極管，前面再串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)絲。TVS二極管能將瞬變過(guò)壓箝制在擊穿電壓;對(duì)瞬變反向電壓或穩(wěn)態(tài)負(fù)電奪，TVS偏置在正向，限制在1V以下，從而也保護(hù)了下游電路。如果正向或反向電壓持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，保險(xiǎn)絲將被燒毀。

　　為了使電路能連續(xù)地工作，可用一個(gè)二極管來(lái)替代保險(xiǎn)絲，變成圖1(b)形式。串聯(lián)的二極管D1能防止電池接反而損壞電路元件，也能保護(hù)大于TVS二極管D2擊穿電壓的脈沖過(guò)壓對(duì)器件可能造成的損害，這時(shí)相當(dāng)于串聯(lián)了一個(gè)限流二極管。請(qǐng)注意，D1的反向擊穿電壓應(yīng)大于最大可能的負(fù)瞬變電壓。

　　出于體積小、功耗高的考慮，在電路板面積有限、電路元件對(duì)正、負(fù)過(guò)壓有一定容限的應(yīng)用，也常用壓敏電阻來(lái)替代TVS二極管D2，如圖1(c)。對(duì)于正、負(fù)過(guò)壓脈沖，只要大于它的擊穿電壓，都能起到保護(hù)作用。

　　上述電路明顯地存在不足之處。對(duì)圖1(a)，反向過(guò)壓不能太大，持續(xù)時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)，激增的電流增加了功耗。其次，TVS二極管在大于擊穿電壓處也顯示出一定的內(nèi)阻，而在靠近擊穿電壓處也顯示一定的內(nèi)阻，而在靠近擊穿電壓處存在漏電流，增加了設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的難度，一般來(lái)說(shuō)，為了使最大過(guò)壓盡可能地低，TVS二極管的擊穿電壓盡可能地選擇與最高穩(wěn)態(tài)電壓接近，而漏電流會(huì)增加電路準(zhǔn)靜態(tài)電流。

　　對(duì)圖1(b)，在正常工作下，D1存在0.7V 左右的電壓降。電壓降意味著功耗，尤其是高功率電路，如音頻系統(tǒng)，工作電流高達(dá)10A，其功耗就十分驚人。電壓降還降低了工作電壓，會(huì)造成某些電路工作的不穩(wěn)定。

　　對(duì)圖1(c)電路，盡管壓敏電阻價(jià)格低廉，但它的漏電，反向擊穿特性和可靠性都不如TVS二極管，在要求較高的電子電路中使用是不合適的。

　　有源瞬變保護(hù)器件

　　基于以上的分析，表明分立器件有其自身難以克服的缺陷，對(duì)于目前要求低準(zhǔn)靜態(tài)電流、低壓工作、電池接反和過(guò)壓保護(hù)的應(yīng)用，有源保護(hù)器是不錯(cuò)的選擇，例如Max16013-16014。這是一種超小型、低功耗器件，可在5.5V至72V較寬的電源電壓范圍下工作(圖2)。它用兩個(gè)MOS開(kāi)關(guān)二極管來(lái)替代二極管，具有更佳的性能;內(nèi)部還設(shè)有高壓比較器來(lái)監(jiān)視欠壓、過(guò)壓狀態(tài)，比較器有開(kāi)漏極輸出，能處理高達(dá)72V的電壓。

　　電路的工作原理也是十分簡(jiǎn)單的(圖3)。器件監(jiān)測(cè)輸入電壓，控制兩個(gè)外接p-FET開(kāi)關(guān)來(lái)隔離負(fù)載。外接MOS開(kāi)關(guān)二極管在5.5V與設(shè)定的上限值之間通導(dǎo)，并由SET引腳處電阻分壓器調(diào)整在20V與28V間工作電壓。在故障狀態(tài)下，F(xiàn)ET P2可按兩種不同方式工作。在第一種方式，P2以一個(gè)可調(diào)整的瞬變電壓抑制器工作，將輸出電壓穩(wěn)定在最大允許的過(guò)電壓，在提供過(guò)壓保護(hù)的同時(shí)連續(xù)地工作。在第二種方式，P2簡(jiǎn)單地用作一個(gè)開(kāi)關(guān)，在持續(xù)的過(guò)壓狀態(tài)下切斷電路，從而使高壓不致?lián)p壞下游的器件。按SET引腳處電阻分壓器連接在輸入或輸出，就可選擇工作方式。

　　FETP1替代上面的串聯(lián)二極管，對(duì)電池接反進(jìn)行保護(hù)，在正向偏置狀態(tài)下是通道的，在負(fù)壓時(shí)立即斷開(kāi)，此外，器件還有一個(gè)EN引腳，在休眠狀態(tài)下斷開(kāi)所有負(fù)載，將準(zhǔn)靜態(tài)電流降低至最小值。

　　結(jié)語(yǔ)

　　傳流器件簡(jiǎn)單實(shí)用，在一些要求不高的應(yīng)用中廣泛使用。而對(duì)近代更復(fù)雜的電子系統(tǒng)，就得使用有源過(guò)壓保護(hù)器件。有源器件的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的。對(duì)TVS二極管或壓敏電阻，在負(fù)載泵條件下，由于其內(nèi)阻大且V-I上升特性，下游電路要面對(duì)暫時(shí)的較高電壓(通?？蛇_(dá)45V)，而有源保護(hù)器可用電阻分壓器將輸出電壓限制在某個(gè)電平。

　　其次，用FET開(kāi)關(guān)來(lái)替代普通二極管，將正向壓降降低至幾個(gè)毫伏量級(jí)，極大地減少了功耗，簡(jiǎn)化了冷卻裝置，降低了成本，也使低輸入電壓工作更加穩(wěn)定。

　　還有一點(diǎn)，上面亦已提及，有源器件有一個(gè)EN引腳，在休眠狀態(tài)下可讓器件處于不工作狀態(tài)。進(jìn)一步減少了準(zhǔn)靜態(tài)電流。(東華)