如何保護(hù)電路免受過壓？過壓保護(hù)電路原理解析

過壓保護(hù)，是指被保護(hù)線路電壓超過預(yù)定的最大值時，使電源斷開或使受控設(shè)備電壓降低的一種保護(hù)方式。當(dāng)開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出電壓超過設(shè)計閾值時，為保護(hù)后級用電設(shè)備防止損壞，將輸出電壓限定在安全值范圍內(nèi)。下文將詳細(xì)介紹過壓保護(hù)、過壓保護(hù)原理以及過壓保護(hù)電路。

一、過壓保護(hù)是什么意思？

過壓保護(hù)是一種電源功能，當(dāng)輸入電壓超過預(yù)設(shè)值時會切斷電源，為了防止高壓浪涌，通常會一些過壓保護(hù)方法。大多數(shù)電源都使用過電壓保護(hù)電路來防止損壞電子元件。過電壓條件的影響因電路而異，范圍從損壞組件到降低組件性能并導(dǎo)致電路故障或火災(zāi)。由于電源內(nèi)部故障或配電線路等外部原因，電源可能會出現(xiàn)過壓情況。過電壓的幅度和持續(xù)時間是設(shè)計有效保護(hù)時的一些主要考慮因素。保護(hù)涉及設(shè)置閾值電壓，高于該閾值電壓時，控制電路將關(guān)閉電源或?qū)㈩~外電壓轉(zhuǎn)移到電路的其他部分，例如電容器。

二、過壓保護(hù)電路

關(guān)于過壓保護(hù)，方法還是有許多的，這里主要介紹以下幾種：?1、使用齊納二極管的過壓保護(hù)電路?2、晶閘管撬棒（SCR Crowbar）過壓保護(hù)電路?3、電壓鉗位過壓保護(hù)?4、電壓限制

三、使用齊納二極管的過壓保護(hù)電路

在使用齊納二極管的過壓保護(hù)電路中，齊納二極管和雙極性晶體管用于自動過壓保護(hù)，可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：

?齊納穩(wěn)壓電路這種方法通過提供穩(wěn)壓電壓來調(diào)節(jié)輸入電壓并保護(hù)電路免受過壓， 但當(dāng)電壓超過安全限制時，它不會斷開輸出部分 ，將始終收到小于或等于齊納二極管額定值的輸出電壓。

?齊納二極管過壓保護(hù)電路在過壓保護(hù)的第二種方法中，每當(dāng)輸入電壓超過預(yù)設(shè)水平時，它就會斷開輸出部分或負(fù)載與電路的連接。

1、如何保護(hù)電路免受過壓？

考慮下圖，我們需要微控制器的過電壓保護(hù)。微控制器可以是任何在 IO 引腳上具有最大 5V 額定值的東西。因此，超過 5V 可能會損壞微控制器。

微控制器的過電壓保護(hù)上述電路中使用的齊納二極管為 5.1V穩(wěn)壓二極管。它會在過壓情況下正常工作。如果電壓大于 5.1V，齊納二極管將通過電流并控制電壓高達(dá) 5.1V。但低于 5.1V，齊納二極管將像普通二極管一樣工作并阻斷。下圖是齊納二極管保護(hù)電路的仿真。

齊納二極管保護(hù)電路的仿真上面的原理圖有一個輸入電壓，它是 V1。R1 和 D2 是保護(hù)輸出免受過壓保護(hù)的兩個組件。在這種情況下，D2、1N4099 是一個 6.8V齊納二極管。如果 V1 超過 6.8V，輸出將受到保護(hù)。由于 1N4099 的 6.8V 參考電壓，輸出將保持最大 6.8V?，F(xiàn)在看看上述電路如何充當(dāng)齊納二極管輸入保護(hù)電路并保護(hù)輸出免受超過 6.8V 的電壓影響。

齊納二極管輸入保護(hù)電路在 V1 上的 6V 輸入電壓期間，輸出保持恒定在 5.999V（即 6.0V）。

齊納二極管輸入保護(hù)電路在上述仿真中，輸入電壓為 6.8V。因此，輸出為 6.785V，接近 6.8V。讓我們進(jìn)一步增加輸入電壓并產(chǎn)生過壓情況。

齊納二極管輸入保護(hù)電路現(xiàn)在，輸入電壓為 7.5V，高于 6.8V。現(xiàn)在輸出仍然是 6.883V。這就是齊納二極管如何有效地將連接的電路從過壓情況中拯救出來，而且當(dāng)電壓回到低于 6.8V 時，電路將再次正常工作，如上一步所示。這意味著，與保險絲不同，齊納二極管即使在過壓情況下也不會損壞。在上述電路中，可以使用3.3V、5.1V、9.1V、10.2V等不同值的任何其他齊納二極管來選擇不同的過壓裕。

2、齊納穩(wěn)壓電路

齊納穩(wěn)壓器可保護(hù)電路免受過壓影響，并調(diào)節(jié)輸入電源電壓。使用齊納穩(wěn)壓器進(jìn)行過壓保護(hù)的電路圖如下：

齊納穩(wěn)壓電路電路的預(yù)設(shè)電壓值是電源斷開或不允許任何高于該值的電壓的臨界值。這里的預(yù)設(shè)電壓值是齊納二極管的額定值。比如，我們使用的是 5.1V 齊納二極管，那么輸出電壓不會超過 5.1v。當(dāng)輸出電壓增加時，基極-發(fā)射極電壓降低，由于這個晶體管Q1導(dǎo)通較少。由于 Q1 導(dǎo)通較少，它會降低輸出電壓，從而保持輸出電壓恒定。輸出電壓定義為：VO = VZ - VBE?VO 是輸出電壓?VZ 是齊納擊穿電壓?VBE 是基極-發(fā)射極電壓

3、使用齊納二極管的過壓保護(hù)電路

下面的過壓保護(hù)電路圖是使用齊納二極管和 PNP 晶體管構(gòu)建的。當(dāng)電壓超過預(yù)設(shè)水平時，該電路會斷開輸出。預(yù)設(shè)值是連接到電路的穩(wěn)壓二極管的額定值。甚至可以根據(jù)合適的電壓值更改齊納二極管。該電路的缺點(diǎn)是你可能找不到齊納二極管的確切值，因此請選擇與您的預(yù)設(shè)值最接近的額定值。1）所需材料

?FMMT718 PNP 晶體管 – 2 個。

?齊納二極管 5.1V （1N4740A） – 1nos.?電阻（1k、2.2k 和 6.8k）– 1 個。（每個）

?面包板

?連接電線

2）過壓保護(hù)電路

過壓保護(hù)電路圖3）過壓保護(hù)原理當(dāng)電壓低于預(yù)設(shè)電平時，Q2 的基極為高電平，由于它是一個 PNP 晶體管，它關(guān)閉。并且，當(dāng) Q2 處于關(guān)閉狀態(tài)時，Q1 的基極端子將為低電平，它允許電流流過它。現(xiàn)在，當(dāng)電壓超過預(yù)設(shè)值時，齊納二極管開始導(dǎo)通，將 Q2 的基極接地并打開 Q2。當(dāng) Q2 導(dǎo)通時，Q1 的基極端子變?yōu)楦唠娖讲⑶?Q1 導(dǎo)通，這意味著 Q1 充當(dāng)開路開關(guān)。因此，Q1 不允許電流流過它并保護(hù)負(fù)載免受超過電壓的影響?，F(xiàn)在我們還需要考慮晶體管上的電壓降，它應(yīng)該很低以保證電路的正確精度。所以我們使用了 FMMT718 PNP 晶體管，它表現(xiàn)出非常低的 VCE 飽和值，因此晶體管上的電壓降很低。

4、如何選擇用于過壓保護(hù)的齊納二極管？

下一個重要部分是選擇齊納二極管值，主要有以下幾個方面：1）選擇齊納二極管的電壓這是齊納二極管將充當(dāng)閉合電路并保護(hù)負(fù)載免受過壓影響的電壓值。對于上面的示例，齊納電壓為 6.8V。在某些情況下，目標(biāo)齊納二極管電壓不可用。在這種情況下，可以選擇接近值的齊納二極管。例如，對于高達(dá) 7V 的過壓保護(hù)，6.8V 齊納二極管是一個接近值。2）計算連接在過壓保護(hù)電路兩端的負(fù)載電流對于我們上面討論的示例，它是 50mA。除了負(fù)載電流，齊納二極管還需要偏置電流。因此，總電流應(yīng)等于負(fù)載電流加上齊納二極管偏置電流。對于上面討論的例子，它可以是總電流 = 50mA + 10mA = 60mA3）齊納二極管具有額定功率因此，適當(dāng)?shù)纳嵝枰m當(dāng)?shù)念~定功率齊納二極管。額定功率可以根據(jù)步驟 - 2 中計算的總電流（60mA）計算得出。因此，齊納二極管的額定功率等于齊納二極管的電壓，與流過二極管的總電流有關(guān)。對于我們上面的例子，額定功率 = 6.8V x 0.060 = 0.408 瓦。因此，一個 500mW 的齊納二極管就足夠了。4）通過微分源電壓和一般電壓來計算電阻值源電壓將是可以施加到電路的最大值。例如，可能發(fā)生或可以作為電源電壓施加的最大過電壓可以是 13V。因此，電阻兩端的電壓降將為 = 13V-6.8V = 6.2V 根據(jù)歐姆定律，電阻值將為 = 6.2V / 0.060 A = 103R 可選擇標(biāo)準(zhǔn)值 100R 電阻。

四、晶閘管撬棒（SCR Crowbar）過壓保護(hù)電路

顧名思義，撬棍電路會在出現(xiàn)過壓情況時在電源輸出端短路，這會將輸出線短路到地。通常晶閘管，即 SCR 用于此目的，因?yàn)樗鼈兛梢郧袚Q大電流并保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到任何電荷散去。晶閘管可以連接回保險絲，該保險絲會熔斷并隔離調(diào)節(jié)器，使其不會承受任何進(jìn)一步的電壓。1、晶閘管撬棒過壓保護(hù)電路

晶閘管撬棒過電壓保護(hù)電路在此電子電路設(shè)計中，選擇了齊納二極管，使其電壓高于輸出的正常工作電壓，但低于會發(fā)生損壞的電壓。2、晶閘管撬棒過壓保護(hù)原理在這種狀態(tài)下，沒有電流流過齊納二極管，因?yàn)樯形催_(dá)到其擊穿電壓，并且沒有電流流入晶閘管的柵極并保持關(guān)閉狀態(tài)。電源將正常工作。如果電源中的串聯(lián)傳輸晶體管發(fā)生故障，電壓將開始上升 - 單元中的去耦將確保它不會立即上升。隨著它的上升，它將上升到齊納二極管開始導(dǎo)通的點(diǎn)以上，電流將流入晶閘管的柵極，導(dǎo)致其觸發(fā)。當(dāng)晶閘管觸發(fā)時，它會將電源的輸出短路到地，以防止損壞其供電的電路。這種短路也可用于燒斷保險絲或其他元件，切斷電壓調(diào)節(jié)器的電源，并使設(shè)備免受進(jìn)一步損壞。通常在晶閘管的柵極與地之間放置一些小電容形式的去耦，以防止尖銳的瞬變或來自正在供電的單元的 RF 進(jìn)入柵極連接并導(dǎo)致寄生觸發(fā)。然而，這個電容不應(yīng)做得太大，因?yàn)樗赡軙趯?shí)際發(fā)生故障的情況下減慢電路的啟動速度，并且保護(hù)可能會太慢。3、關(guān)于晶閘管 Crowbar 過壓保護(hù)的注意事項(xiàng)：晶閘管或 SCR，可控硅整流器可用于在電源電路中提供過壓保護(hù)。通過檢測高壓，電路可以觸發(fā)晶閘管以在電壓軌上設(shè)置短路或短路器，以確保它不會升至高電壓。

五、電壓鉗位過壓保護(hù)

另一種非常簡單的過電壓保護(hù)形式使用稱為電壓鉗位的方法。在其最簡單的形式中，它可以通過使用放置在穩(wěn)壓電源輸出端的齊納二極管來提供。選擇略高于最大軌電壓的齊納二極管電壓，在正常情況下它不會導(dǎo)通。如果電壓升得太高，它將開始導(dǎo)通，將電壓鉗位在略高于軌電壓的值。如果穩(wěn)壓電源需要更高的電流能力，則可以使用帶有晶體管緩沖器的齊納二極管。這將增加簡單齊納二極管電路的電流能力，增加的系數(shù)等于晶體管的電流增益。由于此電路需要功率晶體管，因此電流增益水平可能較低 - 可能為 20 - 50。

齊納二極管過壓鉗位（a） - 簡單的齊納二極管，（b） - 帶晶體管緩沖器的更高電流

六、電壓限制

當(dāng)開關(guān)模式電源需要過壓保護(hù)時，由于功率耗散要求以及組件的可能尺寸和成本，SMPS 鉗位和短路器技術(shù)的使用不太廣泛。幸運(yùn)的是，大多數(shù)開關(guān)模式穩(wěn)壓器在低電壓條件下失效。然而，在出現(xiàn)過壓情況時設(shè)置電壓限制功能通常是比較常見的做法。這通?？梢酝ㄟ^檢測過壓條件并關(guān)閉轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。這尤其適用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的情況。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)時，有必要在主 IC 穩(wěn)壓器外部加入一個感測回路——許多開關(guān)模式穩(wěn)壓器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用一個芯片來實(shí)現(xiàn)大部分電路。使用外部感測回路非常重要，因?yàn)槿绻_關(guān)模式穩(wěn)壓器芯片損壞導(dǎo)致過壓情況，感測機(jī)制也可能損壞。不過這種形式的過電壓保護(hù)需要特定于所用特定電路和開關(guān)模式電源芯片的電路。

小結(jié)

過壓保護(hù)電路主要用于當(dāng)開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出電壓超過設(shè)計閾值時，為保護(hù)后級用電設(shè)備防止損壞，將輸出電壓限定在安全值范圍內(nèi)。本文詳細(xì)介紹了過壓保護(hù)原理、過壓保護(hù)電路原理以及過壓保護(hù)電路的構(gòu)建，希望對讀者有所幫助。

編輯：黃飛