保护您的低压电子设备免受电气过压的影响

任何电子产品发生故障的一个常见原因是电气过应力 (EOS)。虽然良好的指导手册可以防止用户在非规定的功率水平下使用设备，但意外的 EOS 始终是可能的。过压可能是多种情况的结果，包括电源浪涌和由于输入电源不正确而导致的过电压。拥有有效的EOS保护是产品耐用性的首要要求。

EOS 用于描述当电子设备承受超出设备指定限制的电流（图 1 ）或电压（图 2）时可能发生的热致损坏。EOS 事件期间可能出现的高电流会产生局部高温，从而损坏设备构造中使用的材料。EOS 事件可以是仅持续几毫秒的瞬时事件，也可以只要条件持续就持续。EOS 可以是单个非重复事件的结果，也可以是持续的周期性或非周期性事件的结果。

EOS 和静电放电 (ESD) 都是电压过应力条件，但如表 1 所示，它们在事件涉及的能量和时间跨度方面有所不同。

表 1：EOS 和 ESD 的比较。

EOS 的典型故障症状包括消耗过多的电源电流、电源和接地引脚之间的低电阻、电源和接地之间的引脚短路和/或设备的功能故障。

在某些故障情况下，设备的视觉损坏是显而易见的。这可能是元件封装中的凸起或物理孔、元件封装中的烧伤/变色/裂纹。在大多数情况下，损坏可能是内部的，表现为金属熔化/烧毁、键合线熔化/开路。

图1：（EOS外部损坏）
图2：（EOS内部损坏）

EOS 原因

EOS 故障的主要原因是电源电压浪涌。I/O 切换期间的过冲或下冲、内部切换或外部连接（耦合）导致的电压尖峰也可能导致 EOS。其他设计问题，例如由于接地不当（导致接地层噪声过大）导致的不良返回路径，可能会导致设备出现 EOS。对于在嘈杂环境中运行的系统，屏蔽不良会使系统容易受到电磁干扰 (EMI)，进而导致 EOS 故障。由于 ESD 等事件而削弱的设备将更容易受到未来 EOS 事件的影响。如果电流不受限制或者事件发生时间较长，则闩锁可能会导致 EOS。用户提供的不正确输入也可能导致电源或 I/O 线路上出现 EOS。

在产品层面预防 EOS

理想的情况是拥有清洁的电源并在加电和断电时控制斜坡。拥有适当的去耦电容器有助于抑制电源域上的任何噪声。此外，印刷电路板中电源和接地的低电阻传导路径有助于避免不必要的噪声到达设备 I/O 或电源线。

虽然上述选项有助于消除由于电压浪涌和尖峰引起的EOS，但由于反向电压、过压和短路（过流）引起的事件不受保护。我们将在本文中讨论四种保护选项（表 2 ）来涵盖这些场景。

表2：保护方法比较。

选项#1 – 在电源线上串联一个二极管。该电路的主要优点是成本低并且需要更少的电路板空间。它可以通过断开施加在系统上的反向电压输入来保护系统免受反向电压的影响。二极管所能保护的电压值等于二极管的反向击穿电压参数。

该电路的主要缺点是会产生相当于所用二极管的正向压降参数的串联压降。它还不能保护设备免受过压和短路/过流情况的影响。

选项 #2 – 由 4 个二极管组成的桥式整流器。该电路的主要优点是，它不仅可以保护系统免受反向电压输入的影响，而且使系统即使在反向输入电压下也能运行。二极管所能保护的电压值等于二极管反向击穿电压的两倍。

然而，该电路也有一些缺点。它不能保护设备免受过压和短路/过流情况的影响。如果是二极管，则串联电压降等于二极管正向电压降参数的两倍。此外，该电路由体积庞大的二极管组成，这会占用电路板空间并增加系统成本。

选项 #3 – 齐纳二极管和自恢复保险丝的组合。该电路由串联元件组成；即自恢复保险丝和并联元件齐纳二极管。串联元件限制电流，并联元件钳位电压电平。当有大电流浪涌通过保险丝时，自恢复保险丝就会断开或熔断。

自恢复保险丝由导电聚合物制成，这些自恢复保险丝的工作原理是当设备的温度（即保险丝温度）超过阈值限制时，它们会暂时熔断。当温度降至阈值以下时，它们会重新打开（图 3）。
图 3：PTC 电阻随温度的变化

当输入电压超过齐纳二极管击穿电压参数时，流经齐纳二极管以及自恢复保险丝的电流会突然激增。保险丝温度升高导致保险丝熔断电路；即保险丝的电阻会增大很多倍，相当于电路开路。当过压条件消除时，电流停止流过保险丝，保险丝的温度降低，从而在一段时间后再次闭合/完成电路。图 4 显示了故障情况下电流和电阻随时间的变化。

当输入端施加反向电压时，齐纳二极管将正向偏置。PTC保险丝中会有很大的浪涌电流，导致保险丝温度升高，从而导致电路熔断。

在过流或短路情况下，通过保险丝的电流会增加，从而增加温度并进而导致电路断开，从而保护系统或设备。

该电路的主要优点是它可以保护设备/系统免受所有 EOS 情况的影响 - 过压、反向电压、短路或过流。仅将两个组件添加到 BOM/成本中。

主要缺点是由于自恢复保险丝的电阻，会出现一系列电压下降。尽管自恢复保险丝的初始电阻可能较小，但自恢复保险丝的电阻随着温度和保险丝复位次数的增加而增加。该串联电压降取决于被保护系统消耗的电流；即，压降随着系统电流消耗 (V=IR) 的增加而增加。

该电路的另一个缺点是温度急剧升高约 90°C。因此，我们不能在该电路附近放置其他器件，从而增加该电路使用的有效电路板面积。有一种类似的器件称为 Polyzen 器件，它在单个组件上同时具有自恢复保险丝和齐纳二极管，因此占用电路板上的空间有限。然而，由于该器件，我们仍然会产生串联电压降。

自恢复保险丝的两个主要参数是“Ihold”电流和串联电阻。“Ihold”电流是保险丝不会熔断的电流。该电流值必须等于或略大于系统电流消耗。为了使保险丝两端的串联电压降保持，必须选择具有串联电阻的保险丝。

选择齐纳二极管时应确保齐纳二极管的击穿电压等于或略高于受保护系统的工作电压。然而，击穿电压不应超过受保护系统的电压限制。选项 #4 – 基于 MOSFET 的保护电路。正如所讨论的，上述三种保护电路的主要缺点是保护元件造成的压降和热耗散。基于 MOSFET 的电路有助于消除这些电压和热损耗，同时提供有效的保护。由于压降可以忽略不计，这种保护甚至可以保护用于采样/监控外部电压的模拟引脚。

理想的过压保护电路需要满足两个标准。个是防止向器件引脚施加过压或反向电压。第二是不要干扰电路的正常功能（即避免任何串联电压降）。

考虑一个可在 1.71V 至 5.5V 范围内工作的 IC。如果施加高于 6V 的电压，此类器件通常会被损坏。因此，保护电路必须通过所有工作电压（1.71V 至 5.5V）而不会出现任何压降。当施加的电压大于5.5V时，保护电路还必须切断微控制器的电源。

该电路的主要缺点是电路中有六个元件，并且该电路不能防止过流（短路）EOS情况。

保护电路的功能框图如图5所示。个块只是增强型P-MOS，它不允许反极性输入传递到下一个电压检查块。电压检查块由齐纳二极管和 PMOS 组成，用于控制开关。

该保护电路由电源线上的两个 P 沟道 MOSFET（图 6）组成，允许功率/电流根据施加到线路上的电压从输入流到输出。保护电路将防止过压或 12 伏反向电压（Q1VDG 的值）。5V 线上的截止电压为 5.7V，3.3V 线上的截止电压为 3.6V。这意味着，如果施加超过此电压电平，P-MOS Q5 将关闭，从而保护器件。这些保护电路的电流消耗小于6mA。

考虑3.3V 保护电路。当外部电压在 1.8V 和 3.3V 之间时，P-MOS Q4 导通，因为栅极端子上的电压相对于漏极而言小于 VTH（如果栅极端子上的电压相对于漏极而言大于 VTH，P-MOS 将关断）排水）。当外部电源超过3.3V时，P-MOS Q5开始导通。这终会在 3.6V 电压下关闭 P-MOS Q6，从而保护器件免受过压影响。当外部源向保护电路施加反向电压时，Q4 P-MOS 将关闭，从而保护器件免受反向电压的影响。该电路充当双向保护电路，即它允许来自设备的任何电压传递到外部世界，同时限制进入设备的电压。

PMOS器件的选择取决于三个主要要求：电路必须通过的输入电压、保护电路必须承受的输入电压以及保护电路两端的串联压降。假设器件的输入电压为1.8V，电路必须保护的输入电压为10V。所选PMOS器件的VTH应小于1.8V，VDG应大于10V。为了将保护电路两端的串联压降保持在限度，PMOS器件的导通电阻RDS必须尽可能低。

串联电阻R4和齐纳二极管组合的选择（图7）取决于保护电路阻断外部输入电压的截止电压。当输入电压增加到齐纳击穿电压 (Vz) 时，电阻器 R4 两端的电压将接近于零，因为齐纳不会理想地导通。当输入电压大于Vz伏时，电阻器R4两端的电压开始增加。当 R4 两端的电压达到 Q5-PMOS 的 Vth 时，Q5 PMOS 导通，从而增加 R5 两端的电压。这使得 Q6 P-MOS 关闭，从而断开与外部输入的连接。因此，齐纳二极管的击穿电压和PMOS的Vth决定了外部电压截止的电压；即，VCUT-OFF = VZ + VTH。

假设我们需要保护电路在 5.6V 时截止，则 VZ= VCUT-OFF – VTH。考虑 VTH 电压为 1.8V 的 P-MOS，我们的 VZ 为 5.6V-1.8V= 3.8V。电阻R4和齐纳二极管的组合应使得当施加5.6V的外部输入时，VZ两端的电压必须为3.8V。由于齐纳二极管并不理想，我们需要选择VZ大于3.8V的齐纳二极管如 4V 或 4.3V。为了确定电阻的近似值，我们读取齐纳二极管的VI曲线，并检查当齐纳二极管两端的电压为3.8V时流过齐纳二极管的电流是多少。如果二极管两端电压为3.8V时为1mA，则R4的电阻值为=(5.6V-3.8V)/1mA=1.8k。

结论

上述电路经过现场运行的准确性测试，发现对于工作在3.V和5V的设备来说，能够成功地保护设备免受过压、反向电压和过流情况的影响。以下是保护电路的基本比较，以便用户为其设计选择理想的保护。