過(guò)壓保護(hù)及瞬態(tài)電壓抑制電路設(shè)計(jì)

作者周敏捷利用電池供電的移動(dòng)設(shè)備通常需要通過(guò)外置的AC適配器對(duì)系統(tǒng)電池進(jìn)行充電。而不同供電電壓的設(shè)備間往往共用著相似的電源插座和插頭，這些不同電壓標(biāo)準(zhǔn)的適配器往往會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)潛在的錯(cuò)插風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致設(shè)備因過(guò)高的電壓而燒毀。另一方面，來(lái)自AC適配器前端的浪涌或者電網(wǎng)的不穩(wěn)定也有可能導(dǎo)致適配器的輸出電壓超越設(shè)備所能承受的范圍。因此，在移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)中就有必要加入充電端口的過(guò)壓保護(hù)電路,以避免上述情況對(duì)設(shè)備后端電路的破壞。本文介紹的過(guò)壓保護(hù)電路由過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)（OVPSwitch）和瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）組成（如圖1）,可實(shí)現(xiàn)完善可靠的抗持續(xù)高電壓和瞬間沖擊電壓的功能。圖1在整個(gè)方案中，核心部分器件為過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)，以美國(guó)研諾邏輯科技有限公司（AATI）的過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)AAT4684為例，過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)的內(nèi)部主要是由控制邏輯電路和PMOS管組成，當(dāng)OVP端的檢測(cè)電壓高于特定電壓閾值之后，邏輯電路就會(huì)通過(guò)柵極關(guān)斷PMOS的溝道。由于該P(yáng)MOS管擁有較高的持續(xù)性耐壓（28V），因此可以保護(hù)后端的元器件不會(huì)因前端電源輸入異常高壓而燒毀（其內(nèi)部原理如圖2所示）。

口GND口GND圖2：AAT46842內(nèi)部原理圖。通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明當(dāng)過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)的輸入端出現(xiàn)過(guò)高電壓時(shí)它對(duì)后端電路所起到的保護(hù)作用。圖3所示為測(cè)試所用電路原理圖，輸入端為12V平穩(wěn)直流源，電源通過(guò)一段長(zhǎng)度為1米的導(dǎo)線(xiàn)與AAT4684的輸入端相連，CH1為AAT4684輸入電壓的測(cè)試點(diǎn)，CH2為AAT4684輸出電壓的測(cè)試點(diǎn)，CH3為其輸出電流探測(cè)點(diǎn)。將AAT4684的OVP保護(hù)電壓設(shè)為6V（即當(dāng)電壓超過(guò)6V后，開(kāi)關(guān)管立刻關(guān)閉，以保護(hù)輸出端的電路）。為體現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中AC適配器的插拔情況，對(duì)系統(tǒng)的上電過(guò)程通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)和電源的機(jī)械性拔插來(lái)實(shí)現(xiàn)。

PowerSupplyirMechanicalConnectChErsne-3Channel2C：iTerPowerSupplyirMechanicalConnectChErsne-3Channel2C：iTer；rVoltageLoadfi)r1Acurrent2.2UFAAT4684圖3：測(cè)試所用電路原理圖。由圖4所示的波形中可以到，在電路上電的時(shí)刻，輸入端的電壓很快超過(guò)了6V并最終穩(wěn)定在了12V左右，而輸出端電壓由于OVP開(kāi)關(guān)的作用，始終維持在0V電壓，即AAT4684輸出端之后的電路不會(huì)因過(guò)高的輸入電壓而受到影響，后端電路器件在此時(shí)受到了AAT4684的過(guò)壓保護(hù)。

lekstop6.0025.SO%A：12.6V@：lekstop6.0025.SO%A：12.6V@：-10.4V鈕］1C.0VCh210.0VCh3i500mAQ^'圖4：經(jīng)示波器測(cè)得的各通道的電壓及電流波形。但是在這同時(shí)卻發(fā)現(xiàn)當(dāng)電源電壓插入的瞬間，AAT4684輸入端的電壓呈現(xiàn)了一個(gè)超過(guò)20V的尖峰。如果進(jìn)一步調(diào)高輸入電壓（如將電壓調(diào)整到16V）,在拔插電源時(shí)會(huì)發(fā)生OVP開(kāi)關(guān)燒壞的現(xiàn)象，但是電源所提供的輸出電壓卻遠(yuǎn)小于OVP開(kāi)關(guān)的最高耐壓28V。如何解釋此現(xiàn)象呢？原因就出在從電源輸出到AAT4684輸入的這段導(dǎo)線(xiàn)上。任何一段有長(zhǎng)度導(dǎo)線(xiàn)具有一定的等效電感。等效電感的存在相當(dāng)于在理想導(dǎo)線(xiàn)上串聯(lián)了一個(gè)分立電感器，同時(shí)由于芯片的輸入端存在的輸入電容，接合起來(lái)就相當(dāng)于一個(gè)如圖5所示的LC振蕩電路；而這個(gè)電路當(dāng)輸入一個(gè)階躍時(shí)在輸入電容上最大可出現(xiàn)2倍于輸入的振蕩電壓。

圖5:輸入端輸入電容與導(dǎo)線(xiàn)電感構(gòu)成的C振蕩電路。由于這些等效器件的存在，就會(huì)在系統(tǒng)上電的瞬間于OVP開(kāi)關(guān)輸入端產(chǎn)生一個(gè)高于電源的電壓。過(guò)高的瞬間電壓就類(lèi)似靜電放電電壓，雖然總能量不大，但是如果其電壓值在瞬間高過(guò)了OVP開(kāi)關(guān)的最高耐壓范圍，就足以將OVP開(kāi)關(guān)內(nèi)部的MOSFET擊穿，使得芯片輸入端對(duì)地發(fā)生短路，失去作用。因此在考慮過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮對(duì)電路輸入端可能出現(xiàn)的瞬態(tài)高壓的防護(hù)。為解決以上問(wèn)題，可以在AAT4684的輸入端放置TVS來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬間沖擊電壓沖擊的防護(hù)。TVS是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以納秒級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線(xiàn)路中的元器件免受各種浪涌脈沖損壞。由于它具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無(wú)損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子設(shè)備之中。由于OVP保護(hù)開(kāi)關(guān)雖然可以持續(xù)地長(zhǎng)時(shí)間承受耐壓范圍內(nèi)的電壓，但是卻無(wú)法經(jīng)受超過(guò)其耐壓范圍的瞬時(shí)電壓沖擊，而TVS結(jié)構(gòu)的二級(jí)管，雖然無(wú)法承受長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)通電流，但是卻可以在瞬時(shí)吸收很高的電壓沖擊，通過(guò)自身的雪崩導(dǎo)通來(lái)限制其兩端的最高電壓，對(duì)電壓起到鉗位的作用。因此將TVS管置于OVP開(kāi)關(guān)電路之前，就可以有效地防止瞬時(shí)高壓對(duì)OVP開(kāi)關(guān)的破壞，同時(shí)OVP的持續(xù)受壓能力又可以保護(hù)后端電路免受前端電源持續(xù)高電壓的破壞。電路邏輯結(jié)構(gòu)如圖6所示。!可承受持續(xù)高壓<28V!可承受瞬時(shí)超高壓圖6：耐高壓電路邏輯圖。由于TVS本身就是屬于ESD保護(hù)器件，可以同時(shí)提高設(shè)備在接口端的靜電保護(hù)能力（通常的TVS管都可以耐受2KV以上接觸式靜電放電），這樣的設(shè)計(jì)就可以在真正意義上實(shí)現(xiàn)端口的保護(hù)功能，有效地提高了器件的使用壽命和可靠性。（關(guān)于詳細(xì)的TVS選用可參閱具體文獻(xiàn)。）另一方面，當(dāng)OVP開(kāi)關(guān)導(dǎo)通并存在一個(gè)持續(xù)較大工作電流流過(guò)時(shí)，此時(shí)如果突然關(guān)閉開(kāi)關(guān)（比如啟動(dòng)了OCP過(guò)流保護(hù)或OTP過(guò)溫保護(hù)），因?qū)Ь€(xiàn)電感中的電流不會(huì)突變，導(dǎo)線(xiàn)電感中的瞬時(shí)電流的變化會(huì)在AAT4684的輸入端產(chǎn)生一個(gè)高于電源的電壓，這就使得OVP開(kāi)關(guān)會(huì)在一個(gè)很短的時(shí)刻需要承受一個(gè)極高的電壓，其原理有些類(lèi)似于開(kāi)關(guān)升壓電路（如圖7所示）。圖7：開(kāi)關(guān)升壓電路.以下實(shí)驗(yàn)為了說(shuō)明這類(lèi)現(xiàn)象所可能產(chǎn)生的實(shí)際輸入電壓的突變，當(dāng)過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)有大電流流過(guò)并正常工作時(shí)將AAT4684加溫使之自動(dòng)進(jìn)入過(guò)溫保護(hù)（OTP）狀態(tài)來(lái)觀察此時(shí)輸入端可能產(chǎn)生的波形變化。該實(shí)驗(yàn)電路依舊如前文所述的圖3所示，電源以5.5V電壓供電，負(fù)載電流約為1.5A。實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)AAT4684進(jìn)行加熱至芯片過(guò)熱保護(hù)功能啟動(dòng)，內(nèi)部的MOSFET立刻關(guān)斷。可以看到，在大約400ns的時(shí)間里，由于流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流被快速關(guān)斷，在OVP的輸入和輸出端瞬間確實(shí)出現(xiàn)了一個(gè)超過(guò)15V以上峰峰值的沖擊電壓，假如電源的輸入電壓更高一些或者負(fù)載電流更大一些，這個(gè)沖擊電壓也同樣會(huì)更高，雖然持續(xù)的時(shí)間極短，但是完全有可能在尖峰時(shí)刻突破OVP開(kāi)關(guān)的最高耐壓，從而破壞其內(nèi)部的PMOS。如果用同樣的原理進(jìn)一步分析OVP開(kāi)關(guān)接通電源時(shí)的過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)，因OVP開(kāi)關(guān)內(nèi)部的控制電路在剛剛上電的瞬間需要建立狀態(tài)，所以在初始的極短時(shí)間里，PMOS柵極電壓沒(méi)有立刻置高，因此PMOS溝道還沒(méi)來(lái)得及關(guān)斷（這個(gè)時(shí)間大約會(huì)持續(xù)0.1us），雖然對(duì)后端電路不會(huì)有什么影響，但是這個(gè)時(shí)間產(chǎn)生的導(dǎo)通電流在PMOS關(guān)斷的時(shí)刻同樣會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似前文所述的問(wèn)題，即在OVP的輸入端產(chǎn)生的一個(gè)時(shí)間極短的過(guò)高電壓沖擊可能會(huì)危及OVP開(kāi)關(guān)正常工作。

血cPreVu2.00VchiPk-Pk13.5VChiMax17.2VCh1Min3.64V2Dec200816:58:08jj|44.00%2.00V血cPreVu2.00VchiPk-Pk13.5VChiMax17.2VCh1Min3.64V2Dec200816:58:08jj|44.00%2.00V1.00AQ :— M|1.00jjs|A|Chif6.00V|圖8：開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)各種電壓變化的測(cè)量結(jié)果。為了避免上面所述的這兩種情況帶來(lái)的瞬間高壓對(duì)OVP開(kāi)關(guān)的沖擊，在其前端放置合適的瞬態(tài)電壓抑制器同樣可以很好地解決該問(wèn)題。由于TVS管和OVP開(kāi)關(guān)具有其各自的功能特點(diǎn)，當(dāng)電路在正常工作時(shí),OVP開(kāi)關(guān)導(dǎo)通,TVS處于反向截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)輸入電壓高于OVP保護(hù)電壓又低于OVP正常耐壓時(shí)，OVP就起到了對(duì)高壓很好地持續(xù)阻斷的作用，保護(hù)了后端器件的安全,而當(dāng)電路的輸入端因前文所述幾種情況而導(dǎo)致瞬時(shí)高壓沖擊出現(xiàn)時(shí)，TVS管的瞬間導(dǎo)通機(jī)制又能很好地吸收沖擊電壓的能量，保護(hù)了OVP開(kāi)關(guān)的安全。其兩者的共同作用就可以有效地實(shí)現(xiàn)抑制瞬態(tài)和持續(xù)高壓的功能，完善地保護(hù)了整個(gè)電路系統(tǒng)的接口免受異常高壓的破壞。本文特別感謝美國(guó)研諾邏輯科技有限公司中國(guó)區(qū)應(yīng)用工程部總監(jiān)譚磊(TaylorTan)先生及華東區(qū)應(yīng)用工程部經(jīng)理毛錚(FrankMao)先生對(duì)本文的修改和指正。在文章最后部分將附上使用TVS管前后實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波形，以供讀者對(duì)照分析，可以進(jìn)一步理解TVS加OVP開(kāi)關(guān)在電路端口保護(hù)設(shè)計(jì)中的必要性。附錄:以下實(shí)驗(yàn)對(duì)AAT4684輸入端使用TVS和不使用TVS管前后的波形進(jìn)行比較，供讀者參考。

CH1為AAT4684的輸入電壓，CH2為AAT4684的輸出電壓。將電源電壓Vin設(shè)為12V,輸出電容為0.1uF,圖A1為前端沒(méi)有TVS管的波形，圖A2為前端加了TVS管的波形（TVS導(dǎo)通電壓為19V）用5.5V作為電源輸入，負(fù)載電流為1.5A時(shí)將OVP加熱進(jìn)入過(guò)溫保護(hù)瞬間波形，圖B1為前端沒(méi)有TVS的波形，圖B2為前端加了TVS時(shí)的波形（TVS導(dǎo)通電壓為16V）呼停止」chi5,00V\^2[5.