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(shí)會(huì)切斷電源，為了防止高壓浪涌，通常會(huì)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(huì)出現(xiàn)過壓情況。 過電壓的幅度和持續(xù)時(shí)間是設(shè)計(jì)有效保護(hù)時(shí)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(shí)，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(dòng)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(shí)，它不會(huì)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(shí)，它就會(huì)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(huì)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(huì)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(gè)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(gè)組件。在這種情況下，D2、1N4099 是一個(gè) 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。 現(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?，F(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(shí)，電路將再次正常工作，如上一步所示。這意味著，與保險(xiǎn)絲不同，齊納二極管即使在過壓情況下也不會(huì)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(huì)超過 5.1v。 當(dāng)輸出電壓增加時(shí)，基極-發(fā)射極電壓降低，由于這個(gè)晶體管Q1導(dǎo)通較少。由于 Q1 導(dǎo)通較少，它會(huì)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(shí)，該電路會(huì)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(gè)。

齊納二極管 5.1V (1N4740A) – 1nos.

電阻（1k、2.2k 和 6.8k）– 1 個(gè)。（每個(gè)）

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(shí)，Q2 的基極為高電平，由于它是一個(gè) PNP 晶體管，它關(guān)閉。并且，當(dāng) Q2 處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，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(shí)，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(shí)，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。 現(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(gè)重要部分是選擇齊納二極管值，主要有以下幾個(gè)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(gè)接近值。

2）計(jì)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 = 60mA

3）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(jì)算的總電流（60mA）計(jì)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(gè) 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(jì)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(huì)在出現(xiàn)過壓情況時(shí)在電源輸出端短路，這會(huì)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(xiǎn)絲，該保險(xiǎn)絲會(huì)熔斷并隔離調(diào)節(jié)器，使其不會(huì)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(jì)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(huì)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(huì)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(shí)，它會(huì)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(xiǎn)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(gè)電容不應(yīng)做得太大，因?yàn)樗赡軙?huì)在實(shí)際發(fā)生故障的情況下減慢電路的啟動(dòng)速度，并且保護(hù)可能會(huì)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(huì)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(huì)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(shí)，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(shí)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(shí)，有必要在主 IC 穩(wěn)壓器外部加入一個(gè)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(gè)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。 以上就是關(guān)于過壓保護(hù)電路的知識(shí)，有問題歡迎在評(píng)論區(qū)留言，大家一起討論。

審核編輯：黃飛

?