过压的常见来源 常用的过电压保护方法

引言：每个电子元器件都都有其额定电压，任何高于额定最大电压的电压都会导致器件损坏或降低其性能，从而导致系统故障。因此通过增加过压保护来避免器件承受这些更高的电压，基本核心是将这过电压与下游设备隔离，或将输出钳位到一个安全电压。

1.过压的常见来源

施加于电子元器件的过电压可能超过其内部器件结构的雪崩击穿电压，从而导致电流过大，这种过度的电流会严重削弱、损坏整个器件或使器件过热。

对低功耗和低成本的需求的增加推动了技术的改进，许多半导体器件现在在较低的电压范围内运行。降低单个器件的电压可以降低系统的整体功耗，从而提高电池寿命，提高效率，并间接降低成本（系统耗电更少），此外低压器件的制造成本比高压器件更低。然而随着功率效率的提高和成本的降低，也带来了一个副作用--->增加了器件对过电压条件的敏感性。

过电压有两种类型：瞬态过电压和连续过电压，瞬态过电压通常是由静电放电ESD、瞬态电变化、热插拔等产生的电压振铃或来自附近电源或转换器的感应开关浪涌引起的。瞬态过电压可以接近千伏，但通常持续时间很短，例如ESD事件可以持续60-100ns，而浪涌事件可以持续约20us。室外的电信设备可能暴露在闪电冲击中--->另一种形式的瞬态过电压，浪涌脉冲可以比常规电压高一个数量级。这些系统需要特殊的保护要求，因为闪电瞬变的强度和持续时间都更为严重。

连续过电压是指长时间持续存在的过电压状态和无限期的应激系统，上游电源、电压调节器、转换器故障或将不兼容的适配器插入系统，都可能导致连续过电压。

2. 常用的过电压保护方法

对于以上两种类型的过电压，有几种不同的过电压保护拓扑结构。

对瞬态过电压条件的保护

由于瞬态过电压条件的持续时间较短，因此任何保护方案的响应时间都必须足够快，以尽量减少下游电路受应力时间。ESD二极管、瞬态电压抑制器TVS管和齐纳二极管可以将瞬态过电流引导到地平面，并箝位瞬态过电压，使下游负载保持在安全工作区域内。

金属氧化物电敏电阻MOVs也可以抑制瞬态过电压，比ESD二极管、TVSs和Zener二极管能吸收更多的能量，但响应时间较慢。TVS可以在ns内响应，而MOV在us内响应，因此ESD二极管和TVS被用于低压电路，而MOV为交流电源或高压直流级提供更好的保护。

防止连续过电压条件

虽然瞬态过电压保护方案可以快速响应瞬态过电压，但它们不适合连续过电压状况，连续过电压特点是持续时间更长。毕竟MOV、ESD二极管、TVS和Zener在失效前只能钳制和耗散一定数量的能量。为了防止连续过电压，有两种常见的方法：过电压锁定和过压箝位。

过电压锁定

过电压锁定（也称为输出电压截止）是两者中更简单和更常见的保护方案，具有过电压锁定功能的电源开关通常有一个OVLO引脚，通过一个可配置的电阻分压器监测输入电压轨。一旦OVLO引脚的电压超过一定阈值，内部比较器关闭通过MOSFET，图4-1是过电压锁定电路实现的典型简图。

图4-1：过电压锁定方框图

对于连续过电压保护，需要更快的响应时间和稳健的保护，以确保下游负载不会长时间暴露在过电压环境下。例如eFuse可以对3us范围内的过电压条件进行响应。只要输入电压超过设定的过电压锁定阈值，过电压锁定电源开关就将保持关闭状态，一旦输入电压降到阈值以下，开关就会重新打开。

图4-2显示了eFuse的过电压锁定操作。过电压锁定设定点为17V，对12V标称工作电压施加18V的过电压。一旦输入电压上升到设定的阈值以上，内部场效应晶体管FET就会关闭，Vout缓慢下降，在FET关闭后，FLT会发出故障信号。

图4-2：eFuse的过电压锁定响应

过电压钳位

当系统中出现短暂过电压情况时，过电压钳位是另一种响应保护方式，在短暂过压事件期间，有的系统需要持续保持工作，所以最好不要中断下游负载，此时过电压钳位功能可以将输出电压夹在一个安全水平，而不是切断系统电压。在以下场景，可能会发生临时过电压：

1：上游低开关频率DC/DC转换器的负载突然跌落（波动）。

2：上游DC/DC转换器在轻负载下以脉冲频率调制工作。

3：负载由多输出反激式转换器的不受调节的次级绕组供电。

这些事件的持续时间可以从几十us到数百us不等。

当输入电压超过某一阈值时，内部钳位激活并将输出电压限制在设定值，如图4-3所示，从而确保了电源在仍然为负载供电的同时，系统不会暴露在输入电源处存在的高电压下。

图4-3：过压钳位方框图

只要在输入上存在过电压，输出电压将被钳位到设定值，当输入下降到输出箝位阈值以下时，箝位将释放并继续正常工作。在输入过电压条件下，调节MOSFET的栅极以降低额外的电压并箝位输出电压。MOSFET中的功耗是通过它的电压降与流过的电流的乘积，如下式所示：

输入过电压和负载电流越高，为保持输出电压恒定，在MOSFET中耗散的功率就越高，因此内部MOSFET可能会有明显的发热和器件结温升高。如果过电压状态持续存在，可能会发生热关断，即器件停止工作并断开电源上的负载，此时器件将保持闭锁状态或启动自动重试循环直到温度降低。

此外快速反应有可能降低或消除对外部TVS和齐纳二极管等器件保护的依赖，例如具有快速过压保护的eFuse的输出钳位响应时间为5us。图4-4显示了快速eFuse的过压钳位工作波形，该系统的过压钳值设置为5.7V，对5V标称工作电压施加8V的过电压，一旦输入电压超过5.7V阈值，则调节内部FET的栅极以锁定输出电压在5.7V。

图4-4：具有快速过压保护的eFuse过压钳位响应

3. 结论

为了可靠地保护电源传输路径，过电压保护非常重要，不同的系统测试用例要求在过电压条件下有不同的响应，如过电压锁定或过电压箝位。而具有集成过电压保护的eFuse器件则提供了灵活、快速和紧凑的保护方案。