过流、过压、防反接、防浪涌于一体的输入电路

一、在电路设计中,我们经常需要增加各种电源输入保护电路,以免烧毁电源,过流、过压、防反接、防浪涌是最常见的保护,如下图:

二、电路分析:

1、过流保护:使用保险丝来做过流保护,当负载出现短路大电流时,可以迅速断开输入电压,起到保护设备的作用。

2、浪涌保护:对于浪涌保护,最常用的就是使用 TVS 管,TVS 管可以在极短的时间内削弱浪涌电流,从而保护后级设备。

(1)TVS 选择方法:

|-----------------|-------------------------------------------|----------------------------------------------|-----------------------|
| 类型 | 特性 | 适用场景 | 禁用场景 |
| 单向 TVS(后缀 A) | 反向雪崩钳位、正向 = 普通二极管(~0.7V 导通),同电压下钳位更低、更便宜 | 纯直流电源、永远单极性的 IO(5V/12V/24V 电源正) | 交流、负电平信号、差分总线、可能反压的线路 |
| 双向 TVS(后缀 CA/C) | 背靠背双 PN 结,正负对称雪崩击穿 | AC 输入、RS485/CAN/USB 差分、音频、双极性模拟信号、可能出现负浪涌的直流 | 也能用在直流,但钳位电压更高、成本更高 |

(2)TVS 核心参数:

①. 反向关断电压 VRWM(第一优先级)

定义 :TVS 保持高阻、漏电流合格、完全不影响电路的 最大持续工作电压

  • 选型规则:VRWM ≥电路正常最大连续工作电压,通常留 10% 余量
    • DC:5V 系统(最大 5.25V)→ VRWM ≥ 5.5V;12V 系统 → VRWM ≥ 13.2V
    • AC:必须按峰值算,220VAC 有效值 → 峰值 311V → VRWM ≥ 350V
  • 为什么重要:VRWM 选低了会常态微导通、漏电流大、发热老化、误击穿;选太高会同步抬升钳位电压 Vc,保护能力下降
  • 配套参数 VBR(击穿电压,1mA 下):一般 VRWM < VBR,公差 ±5%/±10%,VBR 最小值也要高于电路最高工作电压

②. 最大钳位电压 Vc(第二优先级,决定保护成败)

定义:在额定 IPP 浪涌电流下,TVS 两端的最高残压 = 后级芯片实际承受的瞬态电压

  • 铁则:Vc < 被保护器件的绝对最大瞬态耐压 ,预留 10%~20% 余量
    • 例:MCU IO 最大耐压 5.5V → TVS Vc 必须 < 5V
    • 注意:PCB 走线 / 接地寄生电感会额外叠加电压过冲,布局差时再留更多裕量
  • 注意:Vc 是和 IPP 绑定的!电流越大钳位越高,datasheet 的 Vc 是对应标称 IPP 的值

③. 峰值脉冲功率 PPP / 峰值电流 IPP(第三优先级,防 TVS 自己炸)

  • PPP 标称几乎都是 10/1000μs 双指数浪涌 下标定(行业惯例)
  • 如果实际是 8/20μs(雷击电流波,IEC61000-4-5 常用),同管子可承受功率会明显下降,不能直接用标称值
  • 选型逻辑:
    • 先明确你要过的浪涌标准、波形、最大浪涌电流 I_surge
    • 选 TVS 的 IPP ≥ 预期浪涌电流、PPP ≥ 实际浪涌功率 温度降额
    • 超过 25℃ 后功率能力线性下降,工业 85℃ 通常要降额到 60~70%;车载 / 高温环境余量再放大经验余量
    • 电源入口浪涌建议功率留 50% 以上余量;信号口小能量可适当减小

3、防反接保护:顾名思义,就是在正负接反时能切断电流回路的电路,当正负正确接入,电路也能正常工作的电路,就是防反接电路,这里采用 NMOS 来做开关管,具有载流能力强,内阻低,发热量低等优势;其中 R1 是限流电阻,主要保护 D8,D8 是 9.1V 的稳压管,D8 主要作用是保护 Q1 NMOS 的栅极过大而损坏。

正常正接(24V_IN+ = 24V,24V_IN‑ = 0V):

(1)上电瞬间,后级输入电容无电压,S 电位高于 D,体二极管正向导通,给后级电容预充电。

(2)G 极通过限流电阻接到输入 +24V,齐纳二极管与分压网络共同作用,把 VGS 钳位在 9.1~12V(低于 MOS 栅极耐压,高于开启阈值)。

(3)VGS 满足导通条件,NMOS 沟道打开;负载大电流走低阻 MOS 沟道,旁路体二极管;负载获得供电。

(4)固有特性:负载电流流过 MOS,系统 GND 相对电源负极存在小电压偏移

电源反接(24V_IN+ 为 0V,24V_IN‑ 为 24V):

(1)D 被拉到 24V,S 接负载地;体二极管阴极 D 电位高于阳极 S,体二极管反向截止

(2)G 极跟随反接后的输入正极电位,VGS < 0,NMOS 沟道关断。

(3)体二极管、MOS 沟道同时截止,没有电流通路,后级完全断电,实现防反接保护。

4、过压保护:

当电压低于预设电平时Q2 的基极高电平,由于它是一个 PNP 晶体管,它关闭。并且,当 Q2 处于关闭状态时,Q14 的栅极端子将为低电平,它允许电流流过它。

现在,当电压超过预设值时 ,齐纳二极管开始导通,将 Q2 的基极接地并打开 Q2。当 Q2 导通时,Q4 的栅极端子变为 高电平 并且 Q4 导通,这意味着 Q4 充当开路开关。因此,Q4 不允许电流流过它并保护负载免受超过电压的影响。

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