有源瞬變高壓保護器

　　標準分立器件

　　在電路板一級，用來(lái)箝制電壓的常用器件有：

　　·壓敏電阻(Varistor)：壓敏電阻是一種非線(xiàn)性電阻元件，電阻值隨電壓而變，在高于某個(gè)阻值時(shí)，電阻突然降低，從而使過(guò)電壓箝位在一定值。它的功能類(lèi)似于兩個(gè)背靠背的穩壓二極管，因而能箝制正電壓，也能箝制負電壓。外面用環(huán)氧樹(shù)脂包封。由于它的突波承受能力取決于它的物理尺寸，因而有可能獲得較高的浪涌電流值，但在接近擊穿電壓處漏電較大，且擊穿電壓隨流過(guò)的電流而稍有增加。還有一點(diǎn)要注意，壓敏電阻可靠性較差，易老化。嚴格地說(shuō)，它是一次性使用的，因為受到過(guò)壓沖擊后，其內部結構發(fā)生不可逆的變化。

　　·瞬變電壓抑制二極管(TVS)：這是一種在穩壓二極管基礎上發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)品。當TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高速度使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間電壓箝位在一個(gè)預定的數值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。TVS的電路符號與普通穩壓二極管相同，它的正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結雪崩器件。由于它具有響應時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流小、箝位電壓較易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地使用。

　　傳統保護電路

　　一種簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟實(shí)用的保護敏感電路的方法如圖1(a)所示，即在負載處并聯(lián)一個(gè)箝位元件，如TVS二極管，前面再串聯(lián)一個(gè)保險絲。TVS二極管能將瞬變過(guò)壓箝制在擊穿電壓;對瞬變反向電壓或穩態(tài)負電奪，TVS偏置在正向，限制在1V以下，從而也保護了下游電路。如果正向或反向電壓持續時(shí)間過(guò)長(cháng)，保險絲將被燒毀。

　　為了使電路能連續地工作，可用一個(gè)二極管來(lái)替代保險絲，變成圖1(b)形式。串聯(lián)的二極管D1能防止電池接反而損壞電路元件，也能保護大于TVS二極管D2擊穿電壓的脈沖過(guò)壓對器件可能造成的損害，這時(shí)相當于串聯(lián)了一個(gè)限流二極管。請注意，D1的反向擊穿電壓應大于最大可能的負瞬變電壓。

　　出于體積小、功耗高的考慮，在電路板面積有限、電路元件對正、負過(guò)壓有一定容限的應用，也常用壓敏電阻來(lái)替代TVS二極管D2，如圖1(c)。對于正、負過(guò)壓脈沖，只要大于它的擊穿電壓，都能起到保護作用。

　　上述電路明顯地存在不足之處。對圖1(a)，反向過(guò)壓不能太大，持續時(shí)間不可過(guò)長(cháng)，激增的電流增加了功耗。其次，TVS二極管在大于擊穿電壓處也顯示出一定的內阻，而在靠近擊穿電壓處也顯示一定的內阻，而在靠近擊穿電壓處存在漏電流，增加了設計參數選擇的難度，一般來(lái)說(shuō)，為了使最大過(guò)壓盡可能地低，TVS二極管的擊穿電壓盡可能地選擇與最高穩態(tài)電壓接近，而漏電流會(huì )增加電路準靜態(tài)電流。

　　對圖1(b)，在正常工作下，D1存在0.7V 左右的電壓降。電壓降意味著(zhù)功耗，尤其是高功率電路，如音頻系統，工作電流高達10A，其功耗就十分驚人。電壓降還降低了工作電壓，會(huì )造成某些電路工作的不穩定。

　　對圖1(c)電路，盡管壓敏電阻價(jià)格低廉，但它的漏電，反向擊穿特性和可靠性都不如TVS二極管，在要求較高的電子電路中使用是不合適的。

　　有源瞬變保護器件

　　基于以上的分析，表明分立器件有其自身難以克服的缺陷，對于目前要求低準靜態(tài)電流、低壓工作、電池接反和過(guò)壓保護的應用，有源保護器是不錯的選擇，例如Max16013-16014。這是一種超小型、低功耗器件，可在5.5V至72V較寬的電源電壓范圍下工作(圖2)。它用兩個(gè)MOS開(kāi)關(guān)二極管來(lái)替代二極管，具有更佳的性能;內部還設有高壓比較器來(lái)監視欠壓、過(guò)壓狀態(tài)，比較器有開(kāi)漏極輸出，能處理高達72V的電壓。

　　電路的工作原理也是十分簡(jiǎn)單的(圖3)。器件監測輸入電壓，控制兩個(gè)外接p-FET開(kāi)關(guān)來(lái)隔離負載。外接MOS開(kāi)關(guān)二極管在5.5V與設定的上限值之間通導，并由SET引腳處電阻分壓器調整在20V與28V間工作電壓。在故障狀態(tài)下，FET P2可按兩種不同方式工作。在第一種方式，P2以一個(gè)可調整的瞬變電壓抑制器工作，將輸出電壓穩定在最大允許的過(guò)電壓，在提供過(guò)壓保護的同時(shí)連續地工作。在第二種方式，P2簡(jiǎn)單地用作一個(gè)開(kāi)關(guān)，在持續的過(guò)壓狀態(tài)下切斷電路，從而使高壓不致?lián)p壞下游的器件。按SET引腳處電阻分壓器連接在輸入或輸出，就可選擇工作方式。

　　FETP1替代上面的串聯(lián)二極管，對電池接反進(jìn)行保護，在正向偏置狀態(tài)下是通道的，在負壓時(shí)立即斷開(kāi)，此外，器件還有一個(gè)EN引腳，在休眠狀態(tài)下斷開(kāi)所有負載，將準靜態(tài)電流降低至最小值。

　　結語(yǔ)

　　傳流器件簡(jiǎn)單實(shí)用，在一些要求不高的應用中廣泛使用。而對近代更復雜的電子系統，就得使用有源過(guò)壓保護器件。有源器件的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的。對TVS二極管或壓敏電阻，在負載泵條件下，由于其內阻大且V-I上升特性，下游電路要面對暫時(shí)的較高電壓(通?？蛇_45V)，而有源保護器可用電阻分壓器將輸出電壓限制在某個(gè)電平。

　　其次，用FET開(kāi)關(guān)來(lái)替代普通二極管，將正向壓降降低至幾個(gè)毫伏量級，極大地減少了功耗，簡(jiǎn)化了冷卻裝置，降低了成本，也使低輸入電壓工作更加穩定。

　　還有一點(diǎn)，上面亦已提及，有源器件有一個(gè)EN引腳，在休眠狀態(tài)下可讓器件處于不工作狀態(tài)。進(jìn)一步減少了準靜態(tài)電流。(東華)

　　圖1(a) 過(guò)壓保護電路 圖1(b) 過(guò)壓和電池接反保護電路 　圖1(c) 壓敏電阻保護電路

　　圖2 Max16013/16014內部方框圖

　　圖3 Max16013/16014應用連接圖