标签: 过压

随着人们对电子产品质量的苛求，制造厂家为了提高市场竞争力，就必须大量采用电路保护元件，在各类电子产品中，使用过电流保护和过电压保护元件的趋势日益增强。而现阶段，为保护电子电路中的元器件在受到过压、过流、浪涌、电磁干扰等情况下不受损坏，随着科学技术的发展，而电子产品日益多样化、复杂化，所应用的电路保护元件亦是由原先简单的玻璃管保险丝，发展到今天种类繁多、功能各异的一大基础元器件分支，已成为了电子设备中不可或缺的一个组成部分。 过压保护元件和 过流保 护元件 的重要性： （1）随着电子产品发展的需求，IC的功能(集成度)也越来越强，其“身价”自然越来越高贵，因而需要加强保护。 （2）为了降低功耗、减少发热、延长使用寿命，半导体元件和IC的工作电压越来越低,据SIA(美国半导体行业协会)统计，目前工作电压降到1.2V以下，因而其抗过电流/过电压的能力需要适应新的保护要求。 （3）移动式电子产品越来越多，如手持机、PDA、笔记本电脑、摄录机、数码相机、光盘机等，这些电子产品都需要电池组件作为，在电池组件和电池充电器中都必须配备保护元件。 （4）在现代豪华型汽车中，装备的电子设备越来越多，而且工作条件比一般的电子产品更恶劣，如汽车行驶状况和环境瞬息万变、汽车起动时会产生很大的瞬间峰值电压等。因此，在为这些电子设备配套的电源适配器中，一般都需要同时安装过电流和过电压保护元件。 （5）众多电力/电子产品都需要防止雷击以及电源线与电话线的交扰，以保证正常通信和用户人身安全。所以，随着电力/电子产品的发展，过电流/过电压保护元件的需求呈上升趋势。 （6）据统计，在电子产品出现的故障中，有75%是由于过电流/过电压造成的。例如计算机电源的故障原因，其中88.5%是由于过电流/过电压造成的。随着人们对电子产品质量的苛求，制造厂家为了提高市场竞争力，就必须大量采用电路保护元件。 秦晋电子供应过流过压保护器件，官网www.fuse-tech.com

在使用电源给被测件 (DUT) 供电时 , 万一出现任何异常导致供电的“过压”（ OV ） 或者过流”（ OC ） , 都很容易造成 DUT 的损坏 !!! 这是广大工程师非常担心和忌讳出现的问题，特别是在 DUT 非常昂贵或者稀有的场合。 为了避免类似的“过压” 或者 “过流” 导致 DUT 的损坏，几乎绝大多数的电源都具备 OVP 和 OCP ，但高性能的电源除了提供 OVP 和 OCP 之外，还具备其它的更先进的保护功能。   限定设置极限（ Soft Limit ）      最为基本的防护就是在操作菜单中，对电压或电流的输入范围进行限制。当进行参数设定时，只允许电压或电流在允许的范围内输入，否则输入无效。当使用者误操作设定了（包括通过面板或控制指令）超出范围的电压或电流值时，电源会忽略该设置值并发出错误报警。通过这种设置范围的限定，可以避免人为的误操作导致电压过高或电流过大的异常情况。   过压保护（ OVP ）       过压保护（ OVP ）顾名思义就是电源通过设定一个特定的保护电压，当实际电压超出了该 OVP 电压时，电源迅速关断输出，达到保护 DUT 的目的。如下图为设置了 OVP 15V ，虽然设定电源电压从 0V 逐渐增大至 20V ，但当电压到 15V 时电源就出发 OVP 保护而关闭输出。 过流保护（ OCP ）        过流保护（ OCP ）与 OVP 比较类似，主要差别是 OCP 监测的是电流而 OVP 监测的是电压。当电源检测到电路中的电流达到或超出 OCP 设定值，电源将切断其输出，从而保护 DUT 因过流而损坏。如下图为设置电流为 1A ，而 DUT 开机瞬间电流达到 3A ，电源花费大约 500uS 时间检测到电流超出并切断输出。一般来说，在保护的响应速度， OCP 相比 OVP 会稍慢一些，而且过流损坏也主要是“热”损伤。       需要注意的是，很多电源的过流保护 OCP 是允许启用或禁用的，当 OCP 禁用时，电源将工作在设定的电流值，并处于恒流 CC 模式，而不是切断输出。 即当 OCP 禁用时，如果电流达到设定值，电源将保持输出状态和恒流 CC 模式，输出电流保持在电流设定值，并继续给 DUT 供电。 而当 OCP 启用时，如果电流达到设定值，电源将关闭其输出，避免继续给 DUT 供电。 当还有一种情况，如果 DUT 的输入端 具有较大的容性（电容），在 DUT 接入瞬间，由于电源会给 DUT 的电容快速充电，而此时的充电电流一般都比较大（也称为浪涌电流），导致短时间电源的过流。如果这种情况下，电源立即启动 OCP ，关闭输出，则该 DUT 就将无法正常启动。所以，为了克服这种正常开机的短时间“过流”行为，电源允许设置 OCP 启动延时功能， 即只有连续监测到电流“过流”，而且持续时间超出设定的时间才启动 OCP 保护。   远端禁止（ Remote inhibit ）     远端禁止是一种通过外部信号，如开关，切断电源的输出的保护功能。 以下几种情景可以采用远端禁止保护： 将系统应急开关连接到电源的“远端禁止”控制端口，当发生紧急情况，如 DUT 冒烟的情况下，操作员可以通过应急开关关闭电源的输出。 如果 DUT 使用多路供电，如果某一个供电通道出现异常，如 OVP 或 OCP 保护等，可以也通过“远端禁止”来切断其它供电电源关闭其输出，达到多通道协同关闭的目的。 看门狗（ Watch Dog Timer ）       是德科技的一些电源具有这种独特的“看门狗”保护功能，如 N6700 系列模块化电源。“看门狗”最突出的优点是在系统应用当中，如果上位机软件出现死机，无法控制电源正常关机，而导致电源长时间给设备供电，出现 DUT “烤焦”的情况。 “看门狗”保护功能是通过监测控制接口（ LAN ， GPIB ， USG ）是否依然有效，如果在超出预设定的时间窗口内，没有监测到控制接口上任何指令，电源将启动“看门狗”保护，关闭其输出。 该保护功能在一个芯片公司得到很好的应用。工程师要用电源给他们的芯片供电，并做长期的环境测试（高、低温），测试需要持续数周甚至数月的时间。客户使用上位机控制 N6700 电源，并周期性读取电源的电压、电流的回读值。长时间运行条件下，如果上位机出现死机，就很可能导致芯片过热而损坏。 N6700 的“看门狗”保护功能就可以发挥其功效，及时地切断电源输出，在异常情况下来保护芯片。 N6700 的“看门狗”的计时窗口可以在 1 秒至 3600 秒之间任意设置。

作者 周敏捷    利用电池供电的移动设备通常需要通过外置的 AC适配器对系统电池进行充电。而不同供电电压的设备间往往共用着相似的电源插座和插头，这些不同电压标准的适配器往往会给用户带来潜在的错插风险，可能导致设备因过高的电压而烧毁。另一方面，来自 AC适配器前端的浪涌或者电网的不稳定也有可能导致适配器的输出电压超越设备所能承受的范围。因此，在移动设备设计中就有必要加入充电端口的 过压保护 电路，以避免上述情况对设备后端电路的破坏。   本文介绍的过压保护电路由过压保护开关（ OVP Switch）和瞬态电压抑制器 ( TVS )组成（如图1），可实现完善可靠的抗持续高电压和瞬间冲击电压的功能。   图1   在整个方案中，核心部分器件为过压保护开关，以美国研诺逻辑科技有限公司（AATI）的过压保护开关 AAT4684为例，过压保护开关的内部主要是由控制逻辑电路和 PMOS管组成，当 OVP端的检测电压高于特定电压阈值之后，逻辑电路就会通过栅极关断 PMOS的沟道。由于该 PMOS管拥有较高的持续性耐压（28V），因此可以保护后端的元器件不会因前端电源输入异常高压而烧毁（其内部原理如图2所示）。     图2：AAT46842 内部原理图。   通过以下实验可以说明当过压保护开关的输入端出现过高电压时它对后端电路所起到的保护作用。   图3所示为测试所用电路原理图，输入端为 12V平稳直流源，电源通过一段长度为 1米的导线与 AAT4684的输入端相连， CH1为 AAT4684输入电压的测试点， CH 2为 AAT4684输出电压的测试点，CH3为其输出电流探测点。将 AAT4684的 OVP保护电压设为 6V（即当电压超过 6V后，开关管立刻关闭，以保护输出端的电路）。为体现实际应用中 AC适配器的插拔情况，对系统的上电过程通过导线和电源的机械性拔插来实现。   图3：测试所用电路原理图。   由图4所示的波形中可以到，在电路上电的时刻，输入端的电压很快超过了 6V并最终稳定在了 12V左右，而输出端电压由于 OVP开关的作用，始终维持在 0V电压，即 AAT4684输出端之后的电路不会因过高的输入电压而受到影响，后端电路器件在此时受到了 AAT4684的过压保护。     图4：经示波器测得的各通道的电压及电流波形。   但是在这同时却发现当电源电压插入的瞬间， AAT4684输入端的电压呈现了一个超过 20V的尖峰。如果进一步调高输入电压（如将电压调整到 16V），在拔插电源时会发生 OVP开关烧坏的现象，但是电源所提供的输出电压却远小于 OVP开关的最高耐压 28V。如何解释此现象呢？   原因就出在从电源输出到 AAT4684输入的这段导线上。任何一段有长度导线具有一定的等效电感。等效电感的存在相当于在理想导线上串联了一个分立电感器，同时由于芯片的输入端存在的输入电容，接合起来就相当于一个如图 5所示的 LC振荡电路；而这个电路当输入一个阶跃时在输入电容上最大可出现 2倍于输入的振荡电压。     图5: 输入端输入电容与导线电感构成的LC振荡电路。   由于这些等效器件的存在，就会在系统上电的瞬间于 OVP开关输入端产生一个高于电源的电压。过高的瞬间电压就类似静电放电电压，虽然总能量不大，但是如果其电压值在瞬间高过了 OVP开关的最高耐压范围，就足以将 OVP开关内部的 MOSFET击穿，使得芯片输入端对地发生短路，失去作用。因此在考虑过压保护设计时，还应考虑对电路输入端可能出现的瞬态高压的防护。   为解决以上问题，可以在 AAT4684的输入端放置TVS来实现对瞬间冲击电压冲击的防护。TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当 TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以纳秒级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的元器件免受各种浪涌脉冲损坏。由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点，目前已广泛应用于各类电子设备之中。   由于 OVP保护开关虽然可以持续地长时间承受耐压范围内的电压，但是却无法经受超过其耐压范围的瞬时电压冲击，而TVS结构的二级管，虽然无法承受长时间的导通电流，但是却可以在瞬时吸收很高的电压冲击，通过自身的雪崩导通来限制其两端的最高电压，对电压起到钳位的作用。因此将 TVS管置于 OVP开关电路之前，就可以有效地防止瞬时高压对 OVP开关的破坏，同时 OVP的持续受压能力又可以保护后端电路免受前端电源持续高电压的破坏。电路逻辑结构如图 6所示。   图6：耐高压电路逻辑图。 由于 TVS本身就是属于 ESD保护器件，可以同时提高设备在接口端的静电保护能力（通常的 TVS管都可以耐受 2KV以上接触式静电放电），这样的设计就可以在真正意义上实现端口的保护功能，有效地提高了器件的使用寿命和可靠性。（关于详细的 TVS选用可参阅具体文献。）   另一方面，当 OVP开关导通并存在一个持续较大工作电流流过时，此时如果突然关闭开关（比如启动了 OCP过流保护或 OTP过温保护），因导线电感中的电流不会突变，导线电感中的瞬时电流的变化会在 AAT4684的输入端产生一个高于电源的电压，这就使得 OVP开关会在一个很短的时刻需要承受一个极高的电压，其原理有些类似于开关升压电路（如图 7所示）。   图7：开关升压电路.   以下实验为了说明这类现象所可能产生的实际输入电压的突变，当过压保护开关有大电流流过并正常工作时将 AAT4684加温使之自动进入过温保护（ OTP）状态来观察此时输入端可能产生的波形变化。该实验电路依旧如前文所述的图3所示，电源以5.5V电压供电，负载电流约为 1.5A。   实验时对 AAT4684进行加热至芯片过热保护功能启动，内部的 MOSFET立刻关断。可以看到，在大约 400ns的时间里，由于流过开关管的电流被快速关断，在 OVP的输入和输出端瞬间确实出现了一个超过 15V以上峰峰值的冲击电压，假如电源的输入电压更高一些或者负载电流更大一些，这个冲击电压也同样会更高，虽然持续的时间极短，但是完全有可能在尖峰时刻突破 OVP开关的最高耐压，从而破坏其内部的 PMOS。   如果用同样的原理进一步分析 OVP开关接通电源时的过程，可以发现，因 OVP开关内部的控制电路在刚刚上电的瞬间需要建立状态，所以在初始的极短时间里， PMOS栅极电压没有立刻置高，因此 PMOS沟道还没来得及关断（这个时间大约会持续 0.1us），虽然对后端电路不会有什么影响，但是这个时间产生的导通电流在 PMOS关断的时刻同样会产生类似前文所述的问题，即在 OVP的输入端产生的一个时间极短的过高电压冲击可能会危及 OVP开关正常工作。     图8：开关关闭时各种电压变化的测量结果。   为了避免上面所述的这两种情况带来的瞬间高压对 OVP开关的冲击，在其前端放置合适的瞬态电压抑制器同样可以很好地解决该问题。由于 TVS管和 OVP开关具有其各自的功能特点，当电路在正常工作时，OVP开关导通，TVS处于反向截止状态，当输入电压高于 OVP保护电压又低于 OVP正常耐压时，OVP就起到了对高压很好地持续阻断的作用，保护了后端器件的安全，而当电路的输入端因前文所述几种情况而导致瞬时高压冲击出现时， TVS管的瞬间导通机制又能很好地吸收冲击电压的能量，保护了 OVP开关的安全。其两者的共同作用就可以有效地实现抑制瞬态和持续高压的功能，完善地保护了整个电路系统的接口免受异常高压的破坏。   本文特别感谢美国研诺逻辑科技有限公司中国区应用工程部总监谭磊（Taylor Tan）先生及华东区应用工程部经理毛铮（Frank Mao）先生对本文的修改和指正。在文章最后部分将附上使用 TVS管前后实验测得的波形，以供读者对照分析，可以进一步理解 TVS加 OVP开关在电路端口保护设计中的必要性。   附录 :   以下实验对 AAT4684输入端使用 TVS和不使用 TVS管前后的波形进行比较，供读者参考。 CH1为 AAT4684的输入电压，CH2为 AAT4684的输出电压。 将电源电压 Vin设为12V，输出电容为0.1uF，图A1为前端没有TVS管的波形，图A2为前端加了TVS管的波形（TVS导通电压为19V）   用5.5V作为电源输入，负载电流为1.5A时将OVP加热进入过温保护瞬间波形，图B1为前端没有TVS的波形，图B2为前端加了TVS时的波形（TVS导通电压为16V）     图A1: 无TVS时输入端波形     图A2: 有TVS时输入端波形。     图B1: 前端没有TVS时过温保护瞬间。     图B2: 前端加TVS时过温保护瞬间。      

前面写过两个文章，是关于 过压和欠压检测电路-数值验证 过压和欠压检测电路-定性分析 大多数都是图，这里做一些说明。 该电路是由一个运算放大器和两个比较器来实现的，其中比较器是漏极开路输出的，因此需要上拉电阻R2进行偏置。U1很好的完成了电压跟随和降低输出阻抗的作用。 整个电路可分为两种状态：输入电压在设定的阈值范围内和阈值范围外。当输入电压在设定的阈值范围内时，输出电压为高电平，如图左半边所示。一定程度上，上拉电阻R2对参考电压和欠压比较点都起了很大的作用。采用节点电压法较为容易可以解决这个问题，正常的电压时，由于输入电压会影响阈值.当输入电压在设定的阈值范围之外的时候，输出电压为低电平的时候，输出电压为低电平。此时参考源上的电阻RS1的一部分电流流出，导致过压门限降低，并且调整了欠压比较点的电压。电压非正常时，计算较为简单。 因此我们可以发现，在过压的时候，电路通过调整阈值电压来使得从电压正常过渡至过压的时候电压较高，从过压状态回至电压正常状态下电压较低。在欠压的时候，采用调整输入电压的方式来调整，正常状态的时候叠加电源，使得电路必须达到一定的低压才能进入欠压状态，而在欠压的时候移除这个叠加的电压源，使得整个电路的阈值上升。 以上都是背景知识了，下面是电路计算过程： 正常 非正常   以上这些是分析过程，我们如何去调整参数呢？ 事实上我们有这些电阻和电压源需要去做调整： 由于过压和欠压的不同，对于过压来说，只要将门限电压折算回去就可以获得我们的指标 从正常至过压 输入电压为16.5V左右 从过压至正常 输入电压为16V以上 对于欠压的问题相对来说复杂一下 因为输入到比较器的电压和门限电压都在变化，不过没关系，我们通过上面的式子也可以获取我们想要的参数从正常至过压 输入电压为8.5V以下 从过压至正常 输入电压为9V以下 通过调整分压比Rvd1和Rvd2，这是一组参数 Rs1，Rs2和Rs3是影响阈值的基础 而 Rx1和Rx2和Rx3主要影响的是回差的大小。 我调试下来，并没有取得特别理想的值，有兴趣的朋友可以试着这样玩一下。 特别说明，如果加入运放和比较器的非理想参数，只不过是把矩阵弄得复杂一些，具体是没变化的，还是这么做，只不过结果的一条线变成一个区间而已。 概括的说：把需要得到的指标放在最主要的地方，然后调节各个参数，将每个参数的意义和可调整区间搞清楚。记得电阻是有限制的。

    承接这篇文章的分析 过压和欠压检测电路-定性分析 来看一下分析过程： 首先根据上面的模型分析： 计算过程如下：   输入电压不在正常范围内的分析： 由于电压偏高或者偏低，都导致输出为低电平，因此导致了门限电流流出，和输入电压的流出 计算过程如下：   我们把所有的线集中于一张图上看： 我们可以把上面的东西等效成一组迟滞回线： 正常=》高电压  2.713V 高电压=》正常  2.694V 低电压=》正常   0.907V 正常=》低电压   0.84V