12V電源設(shè)計防護電路詳解

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(shè)備也是5V，大一些的設(shè)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。

TVS(高電壓脈沖)防護

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(jié)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(fù)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(jié)束以后，TVS管再自動恢復(fù)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(yīng)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(guān)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(yīng)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?，以吸收一個瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個預(yù)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(guān)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(dǎo)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(yīng)當選用雙極性的，否則選用單極性。

6、CJ（結(jié)電容）：電容量C是由TVS雪崩結(jié)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(yīng)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。

防反接保護

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?qū)щ娦詠韺崿F(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(fù)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?qū)斎胱稣?，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(dǎo)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(guān)特性控制電路的導(dǎo)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(dǎo)通。反接的時候MOS不能導(dǎo)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(guān)特性控制電路的導(dǎo)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(dǎo)通。反接的時候MOS不能導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通。

PMOS管接在電源的正極，柵極低電平導(dǎo)通。

R1和R2構(gòu)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(dǎo)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(gòu)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。

過電流保護

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(yīng)用于開關(guān)電源等電路當中，保險絲有自恢復(fù)和不可恢復(fù)的，PTC就屬于可恢復(fù)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(dǎo)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。

共模電感

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(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(shù)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(dǎo)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。

pi型濾波電路

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。現(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。