基于圣邦微电子SGM40666AS系列的过压保护电路设计

本文深入探讨了SGM40666AS系列过压保护（OVP）电路的保护行为设计，强调了其在保护电子设备免受高电压冲击的重要性。首先，文章从OVP器件的基本功能出发阐释了其设计的复杂性，并根据相关标准阐述如何去评估OVP保护能力，进而引出带有内置浪涌吸收电路的SGM40666AS系列OVP器件。此外，文章基于实际使用环境揭示了OVP器件设计需要进一步考虑电源异常、滥用和接入异常的可能性，以及如何防止张弛震荡避免触发保护放电，并结合实例说明了其设计可行性。文末概述了相关的电磁兼容性标准，为OVP设计提供了行业标准参考。

01过压保护电路的基本概念与设计考量

过压保护（以下简称OVP）器件行为设计的复杂性超乎想象，远非几个引脚功能看起来那么简单明了。

当OVP器件的输入端与电源连接时，需要从输入取得供电，并在适当延迟后以一定速度接通输入和输出。如果它的输出负载事先被供电偏置，上述过程可轻松完成；但如果其输出负载完全没电，则需要设法在输入出现供电时第一时间控制好主开关的栅极，才不会因为输出是近零电位，导致在其内部对栅极下拉建立之前、因栅极电位被小幅度提升而出现对输出的短暂充电。发生这个短暂充电的后果，对于USB应用来讲，就是无法满足其接触对源影响的要求（该规格要求接触过程中总转移电量不超过50微库）。图1是一个不良设计的实测波形，显示转移电量达到了100微库。

图1 接触电荷转移超出USB规范要求的测试实例

过压保护，其字面含义已经说明它的用途是在输出电压高于预定电压时阻断输入高压和负载的连接，以保护负载电路。如果输入电压缓慢变化，检测其变化并当其超过阈值时立刻断开开关即可实现过压保护；当输入电压快速变化，则必须快速响应、立即断开开关。但多快算是立即断开呢？断开前，负载和输入是接通的，如果不限制输入的电压和源阻抗则无法估算多快才能算有效断开。

以GB/T 17626.5（等同于IEC 61000-4-5）的接触放电源特性作为公允源标准来评估OVP的保护能力：在输入端施加标准约定的具有1.2微秒/50微秒开路电压波形和8微秒/20微秒短路电流波形的阻-容-感组合源冲击，观察经OVP保护后输出残压水平；从开始输入超过保护阈值的电压到开关断开，观察从在输入电压上叠加高速阶梯信号到断开的延时。依靠耐压不足的开关断开无法有效地阻断高电压的测试源对负载的放电，因此OVP器件需要配合外置或者内置的浪涌吸收电路来分流冲击能量。

02SGM40666AS系列OVP器件的特性

SGM40666AS系列即一组带有浪涌吸收电路的OVP器件。当对输入施加冲击时，浪涌吸收电路被触发后进入放电状态；由于放电电流过大，在吸收电路上仍会产生很高的电压。图2是SGM40666AS的冲击吸收和过压保护响应波形，图3是其过压延迟时间测量波形。

图2 SGM40666AS接触放电冲击释放和过压保护响应

图3 SGM40666AS过压关断延迟时间测量

03异常和滥用条件下的OVP表现

如果不亲历上百伏的冲击测试、感受其冲击瞬时的强悍，一定会怀疑实际使用环境中如何能出现这样的冲击条件，而产品返修数据反映使用较强冲击释放和浪涌吸收的OVP时，电源输入部分的损坏占比会有效下降。如果实际使用环境中难以产生上百伏的冲击，是什么导致电源输入部分损坏、而实际有效的OVP电路又是如何保护电源输入电路的呢？这个问题进一步揭示了OVP器件行为设计的复杂性。公允的冲击测试条件不等同于应用环境，设计需要考虑电源异常、滥用和接入异常的可能性。这包括：交流电源失相导致零线电位偏移和轻负载过压，进而导致一次侧电流归零异常引起空载高电压、二次侧反馈消失引起空载高压、滥用自限流变压器电源的空载高压、误接入高电压、误接入反相电源和高电压带载关断时电压反冲误触发。即使不是专门针对这些情况设计的，较强耐受的OVP电路可以承受更大的功耗，在出现这些问题时也一定表现更好。

当失相导致轻负载电压过高时，参考图4，调制开关导通时间缩短和更高电压导致寄生振荡增大；寄生振荡产生的额外升压存在烧毁Z和延迟对VA比例采样的风险，进而导致输出电压飘高；或者二次侧反馈部分损坏无法驱动光电二极管时，导致输出电压飘高。

图4 ACDC空载高压失效示意图

无论是异常的电源还是滥用的自限流变压器电源，这些电路的内在电流限制机制使其具有最大开路电压和最大短路电流，相当于具有图5所示输出特性。对于这类特性的电源，钳位功率在电压、电流处于限压值和限流值一半附近时最高（类似地，以略高于输出电压的齐纳钳位易损坏）。对于连续的过压，带有吸收浪涌电路的OVP器件需要在较低电压放电或者钳位到较高电压，才能在有限的散热能力下提供有效的保护。

图5 内在限流、限压及其钳位功率

当接入连续的高压或者接入反相电源时，SGM40666AS系列在接入正向高电压时以小电流对输入钳位、在反相接入时以大电流钳位到低电压。图6展示了提高输入电压触发SGM40666AS过压保护后，继续升高电压到出现钳位的过程：在连接状态下，10毫安钳位电流时电压在31伏左右；在断开状态下，10毫安钳位电流电压可达到41伏左右。钳位功率分别是0.3瓦和0.4瓦，可保证芯片的安全工作。图7显示SGM40666AS在输入反接时可通过很高的电流，足以保证常见规格电源的反接无法造成损伤。

图6 SGM40666AS系列的输入钳位电压

图7 接入反相电源时SGM40666AS的钳位电流

04防止张弛振荡的设计策略

当出现高于保护阈值的电压时，首先断开连接输入输出的开关；如果电压继续上升，为了防止电流击穿开关向负载放电，当电压达到指定阈值，带浪涌吸收的OVP电路会启动保护放电。图2可见，SGM40666AS在该测试中的放电电流超过40安，如此大的放电电流可拉低电源电压，在保护放电结束后，电源电压会再次恢复。图8表明，如果电源不断尝试输出高压，会一再触发保护放电，最终呈现出的是连续的张弛振荡。这个张弛振荡也出现在利用OVP开关断开输入电源、导致反冲触发保护放电时。张弛振荡过程中，OVP器件吸收和消耗大量能量，最终可触发过热失效，因此，OVP器件的保护行为设计还需要防止张弛振荡，并能在断开时避免触发保护放电。

图8 接通时不断触发保护放电和不断恢复过压形成张弛振荡的实例

SGM40666AS触发保护放电的条件包括输入电压达到一定值和输入电压变化速率达到一定值，触发后即转入输入并联稳压钳位。如果输入电压是连续高压，它将维持在钳位状态，此设计可有效地防止张弛振荡。SGM40666AS在直接接入24伏电源和断开负载4安电流的24伏电源时都不会出现张弛振荡或触发保护放电（实测波形见图9、图10）。

图9 SGM40666AS接触接入24伏电源

图10 SGM40666AS断开负载4安电流的24伏电源

SGM40666AS系列包括SGM40666AS、SGM40666BS两个型号，预置保护电压阈值均为6.79伏；如果需要不同电压阈值，可利用外置分压电阻设置所需阈值（由于这个系列产品的保护放电触发受到电压和电压变化速率两个方面的作用，采用分压电阻设置不影响浪涌测试的残压水平）。

SGM40666AS和SGM40666BS两个型号的关键指标如下所示。

抗浪涌、异常和滥用测试以及电磁兼容性标准

IEC 61000-4-2是IEC（国际电工委员会，日内瓦）有关电磁兼容性基础标准IEC 61000系列标准之一。该标准致力于提取和量化电磁干扰的模型以及评估其影响，是被广泛接受和公允的干扰模仿和影响评估标准；该标准被国际标准化组织ISO、欧洲电工标准化机构CENELEC和中国国家标准等同引用为ISO 61000、EN 61000和GB 17626系列标准。IEC 61000-4-2提取和量化了接触放电、气隙放电和耦合干扰的模型，其中接触放电包括人体静电接触放电、设备本体放电、设备间接触放电和耦合入电源的浪涌过程（接触浪涌、击穿浪涌和雷击浪涌）。该分标准量化的接触浪涌源，即具有1.2微秒/50微秒开路电压波形和8微秒/20微秒的接触浪涌源，已成为OVP测试事实标准的一部分。上文讨论的过压和反接属于异常和滥用情况，这部分的处理原则、模型提取和量化不在这个系列标准所考虑的范畴，而属于IEC 62368的范畴。

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