有源瞬变高压保护器

绝大多数电子系统需要过压、电池反接和瞬变保护。这些强干扰会降低系统性能、使功能失常、甚至损坏电子部件。例如，在汽车电子系统中，电子模块是由汽车电池直接或间接供电的，即便在正常工作条件下也会产生各种电气干扰，并通过导线以传导、耦合和辐射方式影响各模块中的电子部件。干扰源包括点火系统、电机、开关抖动以及“负载泵”效应(即直流马达工作时切断电源所产生的电压)等。负载泵效应可持续几百毫秒，电压超过100V。另一个危害是汽车起动时，起动器会让电源电压从12V突然降至5V，至少能持续数十毫秒，使电子系统瞬时不能工作。最后，一些误操作，比如电池接反了，也是要考虑到的。

　　标准分立器件

　　在电路板一级，用来箝制电压的常用器件有：

　　·压敏电阻(Varistor)：压敏电阻是一种非线性电阻元件，电阻值随电压而变，在高于某个阻值时，电阻突然降低，从而使过电压箝位在一定值。它的功能类似于两个背靠背的稳压二极管，因而能箝制正电压，也能箝制负电压。外面用环氧树脂包封。由于它的突波承受能力取决于它的物理尺寸，因而有可能获得较高的浪涌电流值，但在接近击穿电压处漏电较大，且击穿电压随流过的电流而稍有增加。还有一点要注意，压敏电阻可靠性较差，易老化。严格地说，它是一次性使用的，因为受到过压冲击后，其内部结构发生不可逆的变化。

　　·瞬变电压抑制二极管(TVS)：这是一种在稳压二极管基础上发展起来的产品。当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。TVS的电路符号与普通稳压二极管相同，它的正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流小、箝位电压较易控制、体积小等优点，目前已广泛地使用。

　　传统保护电路

　　一种简单而又经济实用的保护敏感电路的方法如图1(a)所示，即在负载处并联一个箝位元件，如TVS二极管，前面再串联一个保险丝。TVS二极管能将瞬变过压箝制在击穿电压;对瞬变反向电压或稳态负电夺，TVS偏置在正向，限制在1V以下，从而也保护了下游电路。如果正向或反向电压持续时间过长，保险丝将被烧毁。

　　为了使电路能连续地工作，可用一个二极管来替代保险丝，变成图1(b)形式。串联的二极管D1能防止电池接反而损坏电路元件，也能保护大于TVS二极管D2击穿电压的脉冲过压对器件可能造成的损害，这时相当于串联了一个限流二极管。请注意，D1的反向击穿电压应大于最大可能的负瞬变电压。

　　出于体积小、功耗高的考虑，在电路板面积有限、电路元件对正、负过压有一定容限的应用，也常用压敏电阻来替代TVS二极管D2，如图1(c)。对于正、负过压脉冲，只要大于它的击穿电压，都能起到保护作用。

　　上述电路明显地存在不足之处。对图1(a)，反向过压不能太大，持续时间不可过长，激增的电流增加了功耗。其次，TVS二极管在大于击穿电压处也显示出一定的内阻，而在靠近击穿电压处也显示一定的内阻，而在靠近击穿电压处存在漏电流，增加了设计参数选择的难度，一般来说，为了使最大过压尽可能地低，TVS二极管的击穿电压尽可能地选择与最高稳态电压接近，而漏电流会增加电路准静态电流。

　　对图1(b)，在正常工作下，D1存在0.7V 左右的电压降。电压降意味着功耗，尤其是高功率电路，如音频系统，工作电流高达10A，其功耗就十分惊人。电压降还降低了工作电压，会造成某些电路工作的不稳定。

　　对图1(c)电路，尽管压敏电阻价格低廉，但它的漏电，反向击穿特性和可靠性都不如TVS二极管，在要求较高的电子电路中使用是不合适的。

　　有源瞬变保护器件

　　基于以上的分析，表明分立器件有其自身难以克服的缺陷，对于目前要求低准静态电流、低压工作、电池接反和过压保护的应用，有源保护器是不错的选择，例如Max16013-16014。这是一种超小型、低功耗器件，可在5.5V至72V较宽的电源电压范围下工作(图2)。它用两个MOS开关二极管来替代二极管，具有更佳的性能;内部还设有高压比较器来监视欠压、过压状态，比较器有开漏极输出，能处理高达72V的电压。

　　电路的工作原理也是十分简单的(图3)。器件监测输入电压，控制两个外接p-FET开关来隔离负载。外接MOS开关二极管在5.5V与设定的上限值之间通导，并由SET引脚处电阻分压器调整在20V与28V间工作电压。在故障状态下，FET P2可按两种不同方式工作。在第一种方式，P2以一个可调整的瞬变电压抑制器工作，将输出电压稳定在最大允许的过电压，在提供过压保护的同时连续地工作。在第二种方式，P2简单地用作一个开关，在持续的过压状态下切断电路，从而使高压不致损坏下游的器件。按SET引脚处电阻分压器连接在输入或输出，就可选择工作方式。

　　FETP1替代上面的串联二极管，对电池接反进行保护，在正向偏置状态下是通道的，在负压时立即断开，此外，器件还有一个EN引脚，在休眠状态下断开所有负载，将准静态电流降低至最小值。

　　结语

　　传流器件简单实用，在一些要求不高的应用中广泛使用。而对近代更复杂的电子系统，就得使用有源过压保护器件。有源器件的优点是不言而喻的。对TVS二极管或压敏电阻，在负载泵条件下，由于其内阻大且V-I上升特性，下游电路要面对暂时的较高电压(通常可达45V)，而有源保护器可用电阻分压器将输出电压限制在某个电平。

　　其次，用FET开关来替代普通二极管，将正向压降降低至几个毫伏量级，极大地减少了功耗，简化了冷却装置，降低了成本，也使低输入电压工作更加稳定。

　　还有一点，上面亦已提及，有源器件有一个EN引脚，在休眠状态下可让器件处于不工作状态。进一步减少了准静态电流。(东华)

 

　　图1(a) 过压保护电路                               图1(b) 过压和电池接反保护电路     　图1(c) 压敏电阻保护电路

 

　　图2 Max16013/16014内部方框图

 

　　图3 Max16013/16014应用连接图