用齐纳二极管设计简单的过压保护电路

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使用齐纳二极管的过电压保护电路

每个电路设计都在不同的电压电平下运行，数字电路最常见的电压电平是 3.3V、5V 和 12V。但是每一种设计都是独一无二的，而且一个电路具有多个工作电压也是很常见的。例如，一个典型的计算机 SMPS 系统可以在六个不同的电压电平下运行，即 ±3.3V、±5V 和 ±12V。不同的电压电平将用于为不同类型的组件供电，在这些情况下，如果低功率组件使用高电压供电，该组件将永久损坏。因此，设计人员应始终专注于在其设计中实施过压保护电路，以防止过压损坏。 任何元器件或电路都会有三种不同的电压额定值，即最低工作电压、推荐或标准工作电压和最高工作电压。任何高于最大工作电压的值对于任何电路或组件都可能是致命的。一种非常常见且具有成本效益的解决方案是使用齐纳二极管过压保护电路。

齐纳二极管 - 基础知识

齐纳二极管大多是保护电路免受过压条件影响的首选。齐纳二极管遵循与二极管相同的原理，即阻止电流反向流动。但有一个限制，即齐纳二极管仅在齐纳二极管额定电压指定的有限电压下阻止电流反向流动。具体来说，一个 5.1V 的齐纳二极管会阻止电流反向流动，最高可达 5.1V。如果齐纳二极管两端的电压超过 5.1V，则允许电流通过。齐纳二极管的这一特点使其成为过压保护的优良元件。

如何保护电路免受过压?

考虑下图，我们需要微控制器的过电压保护。微控制器可以是任何在 IO 引脚上具有最大 5V 额定值的东西。因此，超过 5V 可能会损坏微控制器。

上述电路中使用的齐纳二极管为5.1V稳压二极管。它会在过压情况下正常工作。如果电压大于 5.1V，齐纳二极管将通过电流并控制电压高达 5.1V。但低于 5.1V，齐纳二极管将像普通二极管一样工作并阻断 下图是spice 上齐纳二极管 保护电路的仿真。您可以查看本页底部的视频，了解完整的模拟说明。

上面的原理图有一个输入电压，它是 V1。R1 和 D2 是保护输出免受过压保护的两个组件。在这种情况下，D2、1N4099 是一个 6.8V齐纳二极管。如果 V1 超过 6.8V，输出将受到保护。由于 1N4099 的 6.8V 参考电压，输出将保持最大 6.8V。 让我们看看上述电路如何充当齐纳二极管输入保护电路并保护输出免受超过 6.8V 的电压影响。

上面的电路是使用cadence pspice模拟的。在 V1 上的 6V 输入电压期间，输出保持恒定在 5.999V(即 6.0V)。

在上述仿真中，输入电压为 6.8V。因此，输出为 6.785V，接近 6.8V。让我们进一步增加输入电压并产生过压情况。

现在，输入电压为 7.5V，高于 6.8V。现在输出仍然是 6.883V。这就是齐纳二极管如何有效地将连接的电路从过压情况中拯救出来，而且当电压回到低于 6.8V 时，电路将再次正常工作，如上一步所示。这意味着，与保险丝不同，齐纳二极管即使在过压情况下也不会损坏。 在上述电路中，可以使用3.3V、5.1V、9.1V、10.2V等不同值的任何其他齐纳二极管来选择不同的过压裕度。

如何选择用于过压保护的齐纳二极管?

下一个重要部分是选择齐纳二极管值。以下几点将帮助您为齐纳二极管选择正确的值和零件号。 1.首先，选择齐纳二极管的电压。这是齐纳二极管将充当闭合电路并保护负载免受过压影响的电压值。对于 Pspice 中的上述示例，齐纳电压为 6.8V。 在某些情况下，目标齐纳二极管电压不可用。在这种情况下，可以选择接近值的齐纳二极管。例如，对于高达 7V 的过压保护，6.8V 齐纳二极管是一个接近值。 2. 计算连接在过压保护电路两端的负载电流。对于我们上面讨论的示例，它是 50mA。除了负载电流，齐纳二极管还需要偏置电流。因此，总电流应等于负载电流加上齐纳二极管偏置电流。对于上面讨论的例子，它可以是

总电流 = 50mA + 10mA = 60mA 3. 齐纳二极管具有额定功率。因此，适当的散热需要适当的额定功率齐纳二极管。额定功率可以根据步骤 - 2 中计算的总电流(60mA)计算得出。因此，齐纳二极管的额定功率等于齐纳二极管的电压，与流过二极管的总电流有关。 对于我们上面的例子，额定功率 = 6.8V x 0.060 = 0.408 瓦。 因此，一个 500mW 的齐纳二极管就足够了。 4.通过微分源电压和一般电压来计算电阻值。源电压将是可以施加到电路的最大值。例如，可能发生或可以作为电源电压施加的最大过电压可以是 13V。 因此，电阻两端的电压降将为 = 13V-6.8V = 6.2V 根据欧姆定律，电阻值将为 = 6.2V / 0.060 A = 103R 可选择标准值 100R 电阻。

齐纳过压保护电路——优点和缺点

使用齐纳二极管的 OVP 保护是保护设备免受过压影响的最简单的过程。在这种技术中，电压保持稳定，与其他方法相比，该电路的成本非常低。 但是，当然，这种类型的电路有缺点。这种电路的主要缺点是功耗。由于连接了串联电阻，它总是散发热量并导致能量浪费。‍

‍　　是一个正负强烈震荡的强干扰信号。其中正向干扰达到了35V，负向干扰达到了-15V!太恐怖了!持续时间长达700ns!难怪连国外老牌MCU，都抗不住!大多数国产MCU，也是一击即死机!

审核编辑：汤梓红