有源瞬变高压保护器

2011-05-29 15:59:53来源: 互联网
绝大多数电子系统需要过压、电池反接和瞬变保护。这些强干扰会降低系统性能、使功能失常、甚至损坏电子部件。例如,在汽车电子系统中,电子模块是由汽车电池直接或间接供电的,即便在正常工作条件下也会产生各种电气干扰,并通过导线以传导、耦合和辐射方式影响各模块中的电子部件。干扰源包括点火系统、电机、开关抖动以及“负载泵”效应(即直流马达工作时切断电源所产生的电压)等。负载泵效应可持续几百毫秒,电压超过100V。另一个危害是汽车起动时,起动器会让电源电压从12V突然降至5V,至少能持续数十毫秒,使电子系统瞬时不能工作。最后,一些误操作,比如电池接反了,也是要考虑到的。

  标准分立器件

  在电路板一级,用来箝制电压的常用器件有:

  ·压敏电阻(Varistor):压敏电阻是一种非线性电阻元件,电阻值随电压而变,在高于某个阻值时,电阻突然降低,从而使过电压箝位在一定值。它的功能类似于两个背靠背的稳压二极管,因而能箝制正电压,也能箝制负电压。外面用环氧树脂包封。由于它的突波承受能力取决于它的物理尺寸,因而有可能获得较高的浪涌电流值,但在接近击穿电压处漏电较大,且击穿电压随流过的电流而稍有增加。还有一点要注意,压敏电阻可靠性较差,易老化。严格地说,它是一次性使用的,因为受到过压冲击后,其内部结构发生不可逆的变化。

  ·瞬变电压抑制二极管(TVS):这是一种在稳压二极管基础上发展起来的产品。当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时,它能以极高速度使其阻抗骤然降低,同时吸收一个大电流,将其两端间电压箝位在一个预定的数值上,从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。TVS的电路符号与普通稳压二极管相同,它的正向特性与普通二极管相同,反向特性为典型的PN结雪崩器件。由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流小、箝位电压较易控制、体积小等优点,目前已广泛地使用。

  传统保护电路

  一种简单而又经济实用的保护敏感电路的方法如图1(a)所示,即在负载处并联一个箝位元件,如TVS二极管,前面再串联一个保险丝。TVS二极管能将瞬变过压箝制在击穿电压;对瞬变反向电压或稳态负电夺,TVS偏置在正向,限制在1V以下,从而也保护了下游电路。如果正向或反向电压持续时间过长,保险丝将被烧毁。

  为了使电路能连续地工作,可用一个二极管来替代保险丝,变成图1(b)形式。串联的二极管D1能防止电池接反而损坏电路元件,也能保护大于TVS二极管D2击穿电压的脉冲过压对器件可能造成的损害,这时相当于串联了一个限流二极管。请注意,D1的反向击穿电压应大于最大可能的负瞬变电压。

  出于体积小、功耗高的考虑,在电路板面积有限、电路元件对正、负过压有一定容限的应用,也常用压敏电阻来替代TVS二极管D2,如图1(c)。对于正、负过压脉冲,只要大于它的击穿电压,都能起到保护作用。

  上述电路明显地存在不足之处。对图1(a),反向过压不能太大,持续时间不可过长,激增的电流增加了功耗。其次,TVS二极管在大于击穿电压处也显示出一定的内阻,而在靠近击穿电压处也显示一定的内阻,而在靠近击穿电压处存在漏电流,增加了设计参数选择的难度,一般来说,为了使最大过压尽可能地低,TVS二极管的击穿电压尽可能地选择与最高稳态电压接近,而漏电流会增加电路准静态电流。

  对图1(b),在正常工作下,D1存在0.7V 左右的电压降。电压降意味着功耗,尤其是高功率电路,如音频系统,工作电流高达10A,其功耗就十分惊人。电压降还降低了工作电压,会造成某些电路工作的不稳定。

  对图1(c)电路,尽管压敏电阻价格低廉,但它的漏电,反向击穿特性和可靠性都不如TVS二极管,在要求较高的电子电路中使用是不合适的。

  有源瞬变保护器件

  基于以上的分析,表明分立器件有其自身难以克服的缺陷,对于目前要求低准静态电流、低压工作、电池接反和过压保护的应用,有源保护器是不错的选择,例如Max16013-16014。这是一种超小型、低功耗器件,可在5.5V至72V较宽的电源电压范围下工作(图2)。它用两个MOS开关二极管来替代二极管,具有更佳的性能;内部还设有高压比较器来监视欠压、过压状态,比较器有开漏极输出,能处理高达72V的电压。

  电路的工作原理也是十分简单的(图3)。器件监测输入电压,控制两个外接p-FET开关来隔离负载。外接MOS开关二极管在5.5V与设定的上限值之间通导,并由SET引脚处电阻分压器调整在20V与28V间工作电压。在故障状态下,FET P2可按两种不同方式工作。在第一种方式,P2以一个可调整的瞬变电压抑制器工作,将输出电压稳定在最大允许的过电压,在提供过压保护的同时连续地工作。在第二种方式,P2简单地用作一个开关,在持续的过压状态下切断电路,从而使高压不致损坏下游的器件。按SET引脚处电阻分压器连接在输入或输出,就可选择工作方式。

  FETP1替代上面的串联二极管,对电池接反进行保护,在正向偏置状态下是通道的,在负压时立即断开,此外,器件还有一个EN引脚,在休眠状态下断开所有负载,将准静态电流降低至最小值。

  结语

  传流器件简单实用,在一些要求不高的应用中广泛使用。而对近代更复杂的电子系统,就得使用有源过压保护器件。有源器件的优点是不言而喻的。对TVS二极管或压敏电阻,在负载泵条件下,由于其内阻大且V-I上升特性,下游电路要面对暂时的较高电压(通常可达45V),而有源保护器可用电阻分压器将输出电压限制在某个电平。

  其次,用FET开关来替代普通二极管,将正向压降降低至几个毫伏量级,极大地减少了功耗,简化了冷却装置,降低了成本,也使低输入电压工作更加稳定。

  还有一点,上面亦已提及,有源器件有一个EN引脚,在休眠状态下可让器件处于不工作状态。进一步减少了准静态电流。(东华)

 

  图1(a) 过压保护电路                               图1(b) 过压和电池接反保护电路      图1(c) 压敏电阻保护电路

 

  图2 Max16013/16014内部方框图

 

  图3 Max16013/16014应用连接图

关键字:高压

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0529/article_9309.html
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