硬件設計之一——電源設計01：電源防護
[導讀]一般的產(chǎn)品用的都是直流電源，像手持產(chǎn)品多是5V電源，一些小設備也是5V，大一些的設備12V的稍多一些，車載電子產(chǎn)品有12V和24V兩種電源。????這些電源輸入的防護電路主要包括過壓保護，過流保護，防反接，儲能/濾波電路等。下面是兩個車載產(chǎn)品中的示例，示例1：12V電源進來后分別...
一般的產(chǎn)品用的都是直流電源，像手持產(chǎn)品多是5V電源，一些小設備也是5V，大一些的設備12V的稍多一些，車載電子產(chǎn)品有12V和24V兩種電源。? ? ? ?這些電源輸入的防護電路主要包括過壓保護，過流保護，防反接，儲能/濾波電路等。下面是兩個車載產(chǎn)品中的示例，示例1：12V電源進來后分別是LC濾波(防護電壓波動)，保險絲過流保護，TVS(高電壓脈沖)防護，共模電感濾波(針對車載電源共模干擾)；防反接保護在負極上；示例2：12V電源進來后分別是LC濾波(防護電壓波動)/共模電感濾波(針對車載電源共模干擾)，防反接保護，TVS(高電壓脈沖)防護；這里沒有保險絲過流保護，是因為這款產(chǎn)品使用了外置保險絲；下面分部介紹。 在DCinput的時候，有時由于供電環(huán)境的變化會帶來一些瞬時脈沖。而要消除瞬時脈沖對器件損害的最好辦法，就是將瞬時電流從敏感器件引到地,一般具體做法是將TVS管在線路板上與被保護線路并聯(lián)。這樣，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS管將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時電流一個超低阻抗的通路，其結果是瞬時電流通過TVS管被短路到GND，從而避開被保護器件，并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。而當瞬時脈沖結束以后，TVS管再自動恢復至高阻狀態(tài)，整個回路又回到正常電壓狀態(tài)。????????? ? ?這種防護只能應對由于供電環(huán)境的變化會帶來一些瞬時脈沖，如果是電壓輸入不穩(wěn)定，或者有長時間超過規(guī)定電壓的情況，那么要用其他方法搭建限壓電路，高于或低于規(guī)定的電壓就進行截斷電源的操作，相關知識可自行搜索。??????? TVS(Transient Voltage Suppressor)二極管，又稱為瞬態(tài)抑制二極管，是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應時間（亞納秒級）和相當高的浪涌吸收能力。當它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕找粋€瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個預定的數(shù)值上，從而保護后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。主要用在具有靜電和電壓尖峰的電路中起保護作用。TVS工作過程????????上圖是TVS的工作圖形，首先解釋幾個TVS相關的參數(shù)：??????? 1、VRWM（最大反向工作電壓）：在這個電壓下，TVS的功耗很小，使用時要使被保護電路的工作電壓低于此值，以便TVS接入電路后不影響電路工作。??????? 2、VBR（反向擊穿電壓）：這是TVS管通過電流IR時的電壓，這是TVS管導通的標志電壓，從此點開始TVS進入雪崩擊穿。??????? 3、VCL（最大鉗位電壓）：指當TVS流過IPP電流時的電壓，是TVS管將電壓尖峰鉗制到的電位值。比如來了1000V、2000V的電壓尖峰，都會被TVS鉗制到VCL電平。VCL要小于被保護電路的最大耐壓值，比如被保護芯片耐壓30V，那么就要選VCL小于30V的TVS。??????? 4、IPP（最大反向脈沖峰值電流）：是TVS允許通過的最大脈沖峰值電流，超過此值，TVS可能損壞。??????? 5、TVS管分為單極性和雙極性，若TVS管有可能承受來自兩個方向的尖峰脈沖電壓(浪涌電壓)沖擊時，應當選用雙極性的，否則選用單極性。??????? 6、CJ（結電容）：電容量C是由TVS雪崩結截面決定的，這是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS管的電流承受能力成正比，C太大將使信號衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS管的重要參數(shù)。對于信號頻率越高的回路，TVS的電容對電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號強度也大。高頻回路一般選擇電容應盡量小(如LCTVS、低電容TVS，電容不大于3 pF)，而對電容要求不高的回路，電容的容量選擇可高于40 pF。選型??????? 1、首先確定電路是否存在兩個方向的電壓尖峰，如果有就選雙極性TVS，如果沒有就選單極性TVS。??????? 2、確定電路的正常工作電壓、最大耐壓值，憑此來確定TVS的VRWM、VCL。??????? 3、大概評估電壓尖峰的頻率、幅值，從而確定TVS的功率，從而確定其封裝。????????比如一個DCDC電路，正常工作電壓24V，電源芯片耐壓值為40V，電壓尖峰能量并不大。那么TVS就要選單極性，VRWM大于24V，VCL小于40V的TVS，電壓尖峰能量不是很大，封裝可以選SOD123的。????????選擇上圖中的SMF24A是比較合適。
?二級管型防反接保護電路1、通常情況下直流電源輸入防反接保護電路是利用二極管的單向導電性來實現(xiàn)防反接保護。如下圖1示：這種接法簡單可靠，但當輸入大電流的情況下功耗影響是非常大的。以輸入電流額定值達到2A,如選用Onsemi的快速恢復二極管 MUR3020PT，額定管壓降為0.7V，那么功耗至少也要達到：Pd＝2A×0.7V＝1.4W，這樣效率低，發(fā)熱量大，要加散熱器。2、另外還可以用二極管橋對輸入做整流，這樣電路就永遠有正確的極性(圖2)。這些方案的缺點是，二極管上的壓降會消耗能量。輸入電流為2A時，圖1中的電路功耗為1.4W，圖2中電路的功耗為2.8W。?圖一圖1中，一只串聯(lián)二極管保護系統(tǒng)不受反向極性影響，二極管有0.7V的壓降，圖二 橋式整流器圖2 是一個橋式整流器，不論什么極性都可以正常工作，但是有兩個二極管導通，功耗是圖1的兩倍。MOS管型防反接保護電路N溝道MOS管通過S管腳和D管腳串接于GND通路上，電阻R1、R2為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關特性控制電路的導通和斷開，從而防止電源反接給負載帶來損壞。正接時候，R2提供VGS電壓，MOS飽和導通。反接的時候MOS不能導通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ實際損耗很小，2A的電流，功耗為（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散熱片。解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題P溝道MOS管通過S管腳和D管腳串接于電源和負載之間，電阻R1、R2為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關特性控制電路的導通和斷開，從而防止電源反接給負載帶來損壞。正接時候，R1提供VGS電壓，MOS飽和導通。反接的時候MOS不能導通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ實際損耗很小，2A的電流，功耗為（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散熱片。解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題VZ1為穩(wěn)壓管防止柵源電壓過高擊穿mos管。NMOS管的導通電阻比PMOS的小，最好選NMOS。NMOS管接在電源的負極，柵極高電平導通。PMOS管接在電源的正極，柵極低電平導通。R1和R2構成一個分壓電路，給MOS管的柵極提供一個合適的電壓讓它可以導通，而VZ1則是保護MOS管的柵極不要超過它的門檻電壓。而C1和R3可以理解為對電路的保護作用吧，電路未工作時，此刻可以通過C1和R3這兩個器件構成電路中的交流信號濾除作用，也可以釋放后面容性負載或者感性負載的能量釋放。
??多電流保護電路有很多種，最長使用的是保險絲。保險絲限流保護保險絲限流保護廣泛應用于開關電源等電路當中，保險絲有自恢復和不可恢復的，PTC就屬于可恢復的一種，保險絲的工作原理是電流發(fā)生異常時候，當功率升高到一定的強度時候，電流導致溫度過熱保險絲熔斷，輸入電路斷開。其他還有多種方法，感興趣的話可以自行搜索。采用共模電感濾波通常針對存在共模干擾的車載電路等環(huán)境，簡單進行如下介紹。 實際上，在電源中差模干擾和共模干擾往往同時存在，因此，電源濾波電路一般指將共如上圖所示。模和差模濾波結合起來， Le為共模扼流圈，由于LC的兩個線圈繞向一致，當電源輸人電流流過LC時，所產(chǎn)生的磁場可以互相抵消，不會引起磁芯的飽和，因此，它使用導磁率高的磁芯。Le對共模噪聲來說，相當于一個很大電感量的電感，故它能有效地抑制共模傳導噪聲。負載輸入端分別對地并接的電容Cy對共模噪聲起旁路作用。共模扼流圈兩端并聯(lián)的電容CX對差模噪聲起抑制作用。R為CX的放電電阻，它是VDE-0806和IEC-380安全技術條件標準所推薦的。圖中各元件的參數(shù)范圍：Cx=0.1~2pF;Cy=22~33nF;Le=幾~幾十mH，隨工作電流不同而取不同的參數(shù)值。如電流為25A時，Le=1，8mH;電流為0.3A;Le=47mH。扼流圈一般用高磁導率棒狀磁芯材料，對于消除高頻干擾效果很好，但對于大工作電流之情況，扼流圈的體積比較龐大，用以避免磁飽和。π型濾波器包括兩個電容器和一個電感器，它的輸入和輸出都呈低阻抗。π型濾波有RC和LC兩種， 在輸出電流不大的情況下用RC，R的取值不能太大，一般幾個至幾十歐姆，其優(yōu)點是成本低。其缺點是電阻要消耗一些能量，效果不如LC電路。濾波電容取大一點效果也不錯。 LC電路里有一個電感，根據(jù)輸出電流大小和頻率高低選擇電感量的大小。其缺點是電感體積大，笨重，價格高?，F(xiàn)在一般的電子線路的電源都是RC濾波。很少用LC濾波電路.在SoC的電源輸入端，常常采用磁珠 電容的pi型濾波電路(如下圖)，濾除電源上的高頻噪聲。在模擬器件的電源輸出端，常常采用RC的pi型濾波電路，濾除電源上的低頻噪聲。
?二級管型防反接保護電路1、通常情況下直流電源輸入防反接保護電路是利用二極管的單向導電性來實現(xiàn)防反接保護。如下圖1示：這種接法簡單可靠，但當輸入大電流的情況下功耗影響是非常大的。以輸入電流額定值達到2A,如選用Onsemi的快速恢復二極管 MUR3020PT，額定管壓降為0.7V，那么功耗至少也要達到：Pd＝2A×0.7V＝1.4W，這樣效率低，發(fā)熱量大，要加散熱器。2、另外還可以用二極管橋對輸入做整流，這樣電路就永遠有正確的極性(圖2)。這些方案的缺點是，二極管上的壓降會消耗能量。輸入電流為2A時，圖1中的電路功耗為1.4W，圖2中電路的功耗為2.8W。?圖一圖1中，一只串聯(lián)二極管保護系統(tǒng)不受反向極性影響，二極管有0.7V的壓降，圖二 橋式整流器圖2 是一個橋式整流器，不論什么極性都可以正常工作，但是有兩個二極管導通，功耗是圖1的兩倍。MOS管型防反接保護電路N溝道MOS管通過S管腳和D管腳串接于GND通路上，電阻R1、R2為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關特性控制電路的導通和斷開，從而防止電源反接給負載帶來損壞。正接時候，R2提供VGS電壓，MOS飽和導通。反接的時候MOS不能導通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ實際損耗很小，2A的電流，功耗為（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散熱片。解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題P溝道MOS管通過S管腳和D管腳串接于電源和負載之間，電阻R1、R2為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關特性控制電路的導通和斷開，從而防止電源反接給負載帶來損壞。正接時候，R1提供VGS電壓，MOS飽和導通。反接的時候MOS不能導通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ實際損耗很小，2A的電流，功耗為（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散熱片。解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題VZ1為穩(wěn)壓管防止柵源電壓過高擊穿mos管。NMOS管的導通電阻比PMOS的小，最好選NMOS。NMOS管接在電源的負極，柵極高電平導通。PMOS管接在電源的正極，柵極低電平導通。R1和R2構成一個分壓電路，給MOS管的柵極提供一個合適的電壓讓它可以導通，而VZ1則是保護MOS管的柵極不要超過它的門檻電壓。而C1和R3可以理解為對電路的保護作用吧，電路未工作時，此刻可以通過C1和R3這兩個器件構成電路中的交流信號濾除作用，也可以釋放后面容性負載或者感性負載的能量釋放。
??多電流保護電路有很多種，最長使用的是保險絲。保險絲限流保護保險絲限流保護廣泛應用于開關電源等電路當中，保險絲有自恢復和不可恢復的，PTC就屬于可恢復的一種，保險絲的工作原理是電流發(fā)生異常時候，當功率升高到一定的強度時候，電流導致溫度過熱保險絲熔斷，輸入電路斷開。其他還有多種方法，感興趣的話可以自行搜索。采用共模電感濾波通常針對存在共模干擾的車載電路等環(huán)境，簡單進行如下介紹。 實際上，在電源中差模干擾和共模干擾往往同時存在，因此，電源濾波電路一般指將共如上圖所示。模和差模濾波結合起來， Le為共模扼流圈，由于LC的兩個線圈繞向一致，當電源輸人電流流過LC時，所產(chǎn)生的磁場可以互相抵消，不會引起磁芯的飽和，因此，它使用導磁率高的磁芯。Le對共模噪聲來說，相當于一個很大電感量的電感，故它能有效地抑制共模傳導噪聲。負載輸入端分別對地并接的電容Cy對共模噪聲起旁路作用。共模扼流圈兩端并聯(lián)的電容CX對差模噪聲起抑制作用。R為CX的放電電阻，它是VDE-0806和IEC-380安全技術條件標準所推薦的。圖中各元件的參數(shù)范圍：Cx=0.1~2pF;Cy=22~33nF;Le=幾~幾十mH，隨工作電流不同而取不同的參數(shù)值。如電流為25A時，Le=1，8mH;電流為0.3A;Le=47mH。扼流圈一般用高磁導率棒狀磁芯材料，對于消除高頻干擾效果很好，但對于大工作電流之情況，扼流圈的體積比較龐大，用以避免磁飽和。π型濾波器包括兩個電容器和一個電感器，它的輸入和輸出都呈低阻抗。π型濾波有RC和LC兩種， 在輸出電流不大的情況下用RC，R的取值不能太大，一般幾個至幾十歐姆，其優(yōu)點是成本低。其缺點是電阻要消耗一些能量，效果不如LC電路。濾波電容取大一點效果也不錯。 LC電路里有一個電感，根據(jù)輸出電流大小和頻率高低選擇電感量的大小。其缺點是電感體積大，笨重，價格高?，F(xiàn)在一般的電子線路的電源都是RC濾波。很少用LC濾波電路.在SoC的電源輸入端，常常采用磁珠 電容的pi型濾波電路(如下圖)，濾除電源上的高頻噪聲。在模擬器件的電源輸出端，常常采用RC的pi型濾波電路，濾除電源上的低頻噪聲。
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