作者：Alan Yang
关键词 : 保护, 电路设计, 方案
在汽车、工业、通信和航空等领域，电路系统不可避免地要在一系列恶劣的环境下工作，如过电压、过电流、浪涌事件。本文将阐述：电路保护存在哪些挑战，以及如何应对这些挑战。
电路保护的挑战
我们想象中的供电电压波形可能是一条平的直线，没有起伏，而现实中的电压波形可能存在非常大的起伏。以汽车电子举例，以下情况均会引起电压很大的波动：
图 1：汽车电子应用中，可能遇到的电路保护挑战（图片来源：ADI）
| 冷启动 | 拋负载 | 反向电压 | 叠加交流电压 |
| 在汽车发动机达到自己热平衡之前，电压轨道上会出现特定的电压波形，特别是在寒冷的环境下。 | 当马达产生充电电流时，蓄电池突然断开，将会产生很大的电压脉冲。 | 假如电池组接反了，可能会对整个电压轨道产生反向电压。 | 比如，整流交流发电机的干扰，或者大电流负载切换时的干扰，都会以某种方式叠加到电源轨上。 |
图 2：理想中地电压波形对比现实中地电压波形（图片来源：ADI）
在ISO 7637-2和ISO 16750-2规范中，详细描述了汽车行业的瞬态事件，以及如何测试。
应对电路保护挑战的方案有许多种，可以通过被动保护器件，如TVS管、保险丝等加以保护，也可以通过主动浪涌抑制器来加以保护。
被动保护器件
下图是典型的传统电路保护方案：
图 3：典型地传统电路保护保护方案 （图片来源：ADI）
当输入电压过高，可以使用瞬态电压抑制器件，如瞬态抑制二极管（TVS），把过多的能量传导到地。当电流过大，可以串联保险丝，过大地电流会使保险丝熔断，从而保护电路。
- 瞬态电压抑制器件
它们结构和特性有一定的区别，但都有类似的工作方式：当电压超过器件阈值时，分流多余的电流。
图 4：通过TVS解决浪涌原理 （图片来源：ADI）
当输入端出现过电压情况时，TVS导通，并通过将多余的能量分流到地（GND），来保护电路免受过压的危险。
不同瞬态电压抑制器件具有不同的响应时间：
| 瞬态电压抑制 | 瞬态抑制二极管 （TVS） | 金属氧化物变阻器 （MOV） | 气体放电管 （GDT） |
| 图片 |  |  |  |
| 响应时间 | ~1 pS | ~1 nS | <5 µS |
尽管TVS装置能有效地抑制非常高的电压偏移，但当面临持续的过电压事件时，它们不能免受损坏，因此需要定期监测或更换装置。而GDT的响应时间可能只有几微秒，但可以处理更大的浪涌。
- 过流保护元件
串联保险丝，当电路电流过大时，会使保险丝熔断，从而保护电路。但保险丝同时也带来了维护更换的问题。解决这个问题，也可使用可复位保险丝（PTC）降低维护要求。
可复位保险丝可以看成一个正温度系数地电阻，电流越大，自身发热越大，导致自身电阻急剧增加，从而达到抑制电流的效果。
| 过流保护 | 保险丝 | 可复位保险丝（PTC） |
| 图片 |  |  |
| 原理 | 电流过大时，通过熔断保护电路 | 电流过大时，自身电阻急剧增加，从而保护电路 |
| 能否复位 | 一次性 | 可多次复位 |
保险丝熔断时间是一个重要的参数，在Digi-Key网站可以根据响应时间快、中、慢来选择合适地保险丝。
图 5：根据保险丝熔断时间进行选型
保险丝响应时间不是越快越好，如一些电机应用，启动电流可能非常大，导致在启动阶段误操作，烧坏了保险丝。同样在更换保险丝的时候，需要注意，更换保险丝的响应时间最好和之前使用地保险丝一致，否则可能会有意想不到风险。
当然被动保护器件不止几种，也可以使用二极管来应对反极性连接的问题，或者通过电容电感构成的滤波器来解决较小的瞬态电流电脑。这些方法非常直观，同时也面临一些问题，比如面对较大的瞬态电压电流，需要大体积得被动过保护器件，并且可能需要维护。
主动保护器件：浪涌抑制器
主动保护器件用得好，可以大大减少保护元器件的占地空间，并解决可能的维护困难的问题。
主动浪涌抑制器有很多种类，可以根据开关放在芯片外面还是集成在芯片里面分分为：
常见的应用拓扑结构，包括以下几种：
- 浪涌抑制器：线性
浪涌抑制器的保护原理类似于线性稳压器。如下图，浪涌抑制器监测输入电压和电流。保护阈值由连接输出端的反馈网络决定。通过调节N沟道MOS管栅极，从而将MOS管输出电压钳制在相应的范围。
图 6：浪涌抑制器：线性（图片来源：ADI）
同时为了保护MOS管，一般通过一个电容故障定时器（TMR）来限制MOS管在高损耗区花费的时间。定时器本质上是一个对地电容器。当发生过电压情况时，内部电流源开始给外部电容充电。一旦这个电容达到一定的阈值电压，关闭MOS管。
对于过流保护，如上图，一般通过一个电流检测电阻来监测。当过流情况出现，通过调节MOS管栅极来保证电流在限制范围之内。
→ 典型芯片：LT4363
- 浪涌抑制器：开关
对于高功率应用，开关浪涌抑制器是一个不错的选择。其原理与开关电源、DC-DC转换器类似。阈值由输出端的反馈网络决定，通过调节N沟道MOS管栅极，将MOS管的输出电压钳制在电阻分压器设置的电平。
图 7：浪涌抑制器：开关（图片来源：ADI）
与线性浪涌抑制器一样，它也用一个故障定时器（TMR），来保护MOS管。上图的绿线是电容上的累积电压，我们可以看到，这个电压随着浪涌的出现开始累积，直至浪涌结束开始释放。
→ 典型芯片：LTC7860
- 浪涌抑制器：门限电压
这种浪涌抑制器的阈值，不由输入电压与反馈网络决定。而是通过设置内部钳位电压（也可以外加一个肖特基二极管来设置钳位电压），来限制住MOS管栅极电压。而MOS管的阈值电压决定输出电压极限。
图 8：浪涌抑制器：门限电压 （图片来源：ADI）
例如，使用内部31.5V的栅极钳位和5V的MOS管阈值电压，输出电压被限制为26.5V。
→ 典型芯片：LTC4380
- 保护控制器：输出断开
与浪涌抑制器一样，监测过输入电压和电流的情况，但他不是钳制或调节输出，而是立即断开输出以保护下游电子设备。这种简单的保护电路可以有一个非常紧凑的封装，适合电池供电，便携式设备等应用领域。
图 9：保护控制器：输出断开 （图片来源：ADI）
如上图，保护控制器通过分压电阻来监测输入电压，形成一个从UV到OV地电压窗口。当输入电压超出电压窗口范围，马上通过MOS管断开输出。
如上图，该方案使用背靠背MOS管，可以有效防止电压地反向输入。输出端的电流检测电阻，通过持续监测正向电流来实现过电流保护功能。
→ 典型芯片：LTC4368
本文小结
电路保护有各式各样种，我们将他们的类型和特性总结如下：
- 被动保护器件
| 被动保护 | 瞬态电压抑制器件 | 瞬态电压抑制器件 | 瞬态电压抑制器件 | 过流保护 | 过流保护 |
| 产品种类 | 瞬态抑制二极管 (TVS) | 金属氧化物变阻器 (MOV) | 气体放电管 (GDT) | 保险丝 | 可复位保险丝 (PTC) |
| 图片 | | | | | |
- 主动浪涌抑制器
| 主动保护 | 浪涌抑制器： 线性 | 浪涌抑制器： 开关 | 浪涌抑制器： 门限电压 | 保护控制器： 输出断开 |
| 小浪涌的情况 | 下游电路并不断开，而是通过基于MOS管电路，消耗一部分能量 | 下游电路并不断开，而是通过基于MOS管电路，消耗一部分能量 | 监测过电压和过电流情况，超过电压钳制的范围立即断开 | 监测过电压和过电流情况，超过电压钳制的范围立即断开 |
| 大浪涌的情况 | 通过一个定时器来保护MOS管 | 通过一个定时器来保护MOS管 | 监测过电压和过电流情况，超过电压钳制的范围立即断开 | 监测过电压和过电流情况，超过电压钳制的范围立即断开 |
| 对应波形 |  |  |  |  |
| 典型芯片 | LT4363 | LTC7860 | LTC4380 | LTC4368 |
如果想最大限度地减少下游电子设备的停机时间，可以重点关注一下线性型或者开关型浪涌抑制器。
当然，对应地电路保护器件不止这些。最重要的是，首先要了解你的项目中可能会出现的过电压、过电流、浪涌等各种潜在的危险情况，然后再根据项目具体的要求——如可靠性、反应速度、产品尺寸等要求——对症下药，合理选择合适的电路保护方案，这样才能事半功倍。
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