低压电路保护的改进解决方案

电路保护是一种不费吹灰之力的设计考虑因素：它是一种类似保险的成本，当事情进展顺利时很少受到重视;当出现问题时，预计会对预期甚至难以预料的事件提供全面保护。设计人员需要提供与应用需求相匹配的电路保护，以防止任何可能对系统可靠性产生负面影响甚至导致彻底失效的内部和外部事件。根据应用和系统拓扑结构，可能需要在一个或多个或点（包括单个组件），内部级之间的互连以及系统外部信号和电源接口上进行保护。

有很多长实施保护的经过时间考验的常规方法，以及针对某些特定的，日益普遍的保护情况而设计的新的创新方法和组件。工程师面临的第一个挑战是了解他们需要防范的内容。其中的担忧是：

过电压（稳态和瞬态）

过电流，要么刚刚超过适度的保护带阈值，要么完全短路（再次，

极端温度（通常过热，但冷也可能是一个考虑因素）

反向电池连接（通常与汽车相关）

RFI/EMI引起的瞬变

这些保护问题中的一些是由于内部故障引起的，例如当电源设备发生故障并发生短路时;其他是由于外部事件造成的，例如电源输出到地的意外短路或电源轨的元件端子;而其他是大规模外部问题的结果，如闪电直接或附近的设备。此外，一些故障，例如短路电源的输出，可能是稳定状态，而一些是瞬态事件，例如由EMI/RFI引起的故障（尽管它们引起的故障当然可能是持久的）。 p》

在大多数情况下，保护每种产品免受所有可能的故障模式的影响既不实际也不必要。例如，不需要保护消费级智能手机免受直接雷击，同时需要对飞机电子设备这样做。此外，“过量”的范围可能非常宽：对于手持式电池供电设备，某些内部电路上的过压可能低于10 V，而对于电源则可能是几十或几百伏。

为满足这些系统的多样化需求，供应商开发了各种电路保护设备以及拓扑结构，可充分利用这些设备。可用的保护器件包括：

基本半导体二极管，包括齐纳二极管和肖特基二极管

有源“理想”二极管

基本熔断链保险丝

断路器

压敏电阻（也称为MOV或金属氧化物压敏电阻） - “击穿”并短路超过电压阈值，然后自复位

正温度系数器件（PTC）电阻在电流阈值以上急剧增加，然后自复位

瞬态电压抑制器（TVS） - 动作就像压敏电阻，虽然电压和速度不同

气体放电管（GDT） - 作用就像压敏电阻，虽然电压和速度不同

在某些情况下，电路保护装置的作用是保护整个系统，而在其他情况下，如果存在外部问题，则“保存”特定的高价值元件（例如功率MOSFET或IGBT）免受损坏。

除了不同的评级和基本功能外，这些保护设备之间存在重大差异：

其中大多数是无源的（如二极管），但有些是具有高级功能的有源器件。

有些（如TVS设备）速度很快，可以在几毫秒甚至几微秒内完成，而有些则动作较慢，可能需要几秒钟的时间才能做出反应（可熔连接保险丝），这可能是可以接受的

一些只是一次性使用，必须在执行保护功能后手动更换或复位（与熔断链路或断路器熔断），而许多是自动复位（GDT）;趋势是尽可能使用后者并且可以接受。

新设备补充，改进现有解决方案。

长期存在一对汽车相关情况，现在有越来越严重的后果：反向电池连接和负载突降。当有人错误地将加号（+）和减号（ - ）电缆连接到汽车中的电池时，可能会发生前者。几十年前，当汽车没有电子设备，除了收音机，甚至仪表板都是机械式的，如果有的话，这种损坏将是微乎其微的。同样的问题适用于汽车关闭时发生的抛负载瞬变，电气系统和电路中的任何储存能量突然放电。

然而，这些事件中的任何一个都会产生严重后果。今天的汽车，包括复杂的电子产品，包括ADAS（先进的驾驶员辅助系统），包括备用摄像头，导航，防抱死制动系统（ABS）和防翻滚感应;高端娱乐系统;全球定位系统;无线连接;和内部网络，包括以太网。反向连接的电池或负载突降很容易导致许多这些子系统发生重大，危险和昂贵的故障，特别是因为汽车电池可以轻松地向负载提供数百安培。

传统的反向电压保护解决方案是使用无源半导体二极管来保护每个子系统或电路功能（图1）。虽然这有效，但该方法有几个缺点。主要原因是二极管的正向压降，介于0.3和0.8 V之间，具体取决于二极管类型。这带来了两个问题：在低压系统中，例如汽车和标称12 V电池，即使很小的电压损失也可能是可用轨道电位的很大一部分;此外，考虑到从电池汲取的高电流，下降转换为功率损耗，低效率，甚至过度的热耗散，这可能导致二极管发生故障。数学很简单：使用低压0.3 V肖特基二极管，适度10 A负载的耗散为30 W.

图1：防止反向电池和负载突降影响的传统方法是在电源轨中使用串联二极管，但这在电压降和功耗方面存在严重缺陷。 （来源：德州仪器）

幸运的是，具有智能拓扑的有源器件提供了另一种选择。德州仪器公司最近推出的LM74610-Q1智能二极管控制器是一种双端子器件，如二极管，带有阳极和阴极，带有集成电荷泵，可为相关的NFET器件提供栅极驱动。在正常工作条件下，晶体管导通，因此耗散非常低;此外，没有静态电流，因为没有接地传导路径（图2）。

图2：德州仪器（TI）的LM74610-Q1智能二极管控制器采用快速，接近理想的二极管，无耗散，解决了电池/负载的反向问题倾销困境。它被放置在系统中的每个电路板上，该电路板具有可能受到不利影响的电源轨。 （来源：德州仪器）

LM74610-Q1在电压反转时的响应时间小于8微秒，对于防止抛负载瞬变非常重要，并且可以承受最高45 V的反向电压，超过汽车所需的过电压范围。小巧的8引脚，3 mm×5 mm VSSOP-8封装对车内各种电路板的占位面积影响最小，这也是一个优势。

更短的瞬态也是一个问题

这不仅仅是设计人员必须预见的电源轨问题。由ESD（静电放电），CDE（电缆放电事件）和EFT（电快速瞬变）引起的短时，高能过压事件可能会破坏或损坏连接到高速数据和传输线的敏感组件，甚至在消费类应用中，例如USB接口。

为避免这些问题，使用基本的瞬态电压抑制器（TVS）。 TVS器件不仅必须钳制过压事件，而且必须快速完成。它们还必须具有非常小的电容，因此它们不会使数据信号失真，从而延长数据信号的前沿/下降沿的压摆时间，从而阻碍正常的高速性能。

例如， Semtech公司的RClamp®1521PQ系列最大电容仅为0.5 pF，因此可用于带宽高达3 GHz的高速链路。每个器件由两个串联的反向连接二极管组成，由于其标称击穿电压为20 V（50°C），因此可以保护工作电压高达15 V的单条数据线（图3）。当施加的电压超过设计阈值时，其中一个二极管进入反向击穿模式并钳位过高的电压。这些易于使用的单功能组件符合IEC 61000-4-2第4级（±15 kV空气，±8 kV接触放电）的ESD抗扰度要求。

图3：基本TVS的概念很简单：使用一对背对背二极管;当任何一个的反向击穿电压超过正或负电压时，相应的二极管将进入击穿模式并钳位过大的施加电压。 （来源：Semtech公司）

这些器件采用单通道，双引脚封装，采用1.0×0.6×0.5 mm封装，引脚间距为0.65 mm，占板面积最小;更大的多通道阵列版本也可用于数据线分组。这些TVS单元的响应时间很快，正负瞬态事件的响应时间为几纳秒（图4）。

图4：Semtech的RClamp®1521PQ系列中的TVS器件显示对正负尖峰的纳秒级响应，在发生任何损坏之前钳制有问题的电压。 （来源：Semtech Corp.）点击此处查看完整尺寸的图片。

低电压受到关注，但更高的电压会增加作用

在一个单位数字电压的世界里操作得到了大部分注意，重要的是要注意数十伏的高压设计仍然至关重要，特别是在涉及更高功率水平的情况下。由于这个原因和其他原因，MOV供应商正在推出其低压产品系列的更高电压版本。

Littelfuse，Inc。最近扩展了其LV UltraMOV™压敏电阻系列，涵盖14 VDC至56 VDC范围（浪涌电流额定值高达8 kA，脉冲为8/20μs），可处理65°C的连续额定电压VDC至125 VDC，额定浪涌电流额定值高达10 kA（脉冲为8/20μs）。

这些磁盘形设备（图5）直径为5，7，10，14和20 mm，适用于电信电源系统，无线基站，自动化控制，音频和视频设备，安全系统以及火灾报警系统应用。酚醛树脂涂层选项支持高达125°C的较高工作温度，而标准环氧涂层等级为85°C，但其他规格几乎相同。

《 p》图5：Littelfuse公司的盘形LV UltraMOV™压敏电阻系列支持各种最大钳位电压（MOV直径的函数）和电流。 （来源：Littelfuse，Inc。）

最大钳位电压是MOV直径的函数，图6显示10 mm系列的电压与峰值电流，其中曲线图上的钳位电压表示通过后缀“XXP”的后两位数（XX）。最大峰值浪涌电流最高可达10 kA，这可能是间接雷击或系统切换引起的峰值。

图6：对于10 mm系列，最大峰值电压与峰值电流的关系显示夹持电压在11到40 V之间;请注意，电流可以达到kA范围。 （来源：Littelfuse，Inc。）

结论

实施电路保护的经常被低估的任务包括与电流，电压和温度相关的各种潜在条件，并且可能是内部或外部事件的结果，并作为瞬态或稳态发生。为了提供适当的保护，设计人员必须首先定义潜在问题的类型和强度，然后选择一个或多个电路保护组件和相关技术。

其中一些已经在工程师“工具包”中使用多年，但也有新设备扩展了旧设备的范围，或者提供了新的和创新的有源解决方案和拓扑。这些较新的设备在应对当今系统的挑战方面发挥着重要作用，这些系统在尺寸，功率，速度和成本方面的要求越来越广泛。