一種實(shí)用的過欠壓防反接多功能保護(hù)電路

0   引言

在電網(wǎng)中，由于大功率負(fù)載關(guān)閉等動作，會導(dǎo)致供電電網(wǎng)電壓產(chǎn)生很高的過壓浪涌，這可能造成設(shè)備因?yàn)檩斎攵诉^壓浪涌而損壞；當(dāng)設(shè)備輸入電壓過低時會導(dǎo)致設(shè)備工作不穩(wěn)定，甚至損壞輸入電源（電池過放會導(dǎo)致電池性能受損）。為了使設(shè)備工作更可靠，更能適應(yīng)各種惡劣的過壓浪涌等用電環(huán)境（如機(jī)載設(shè)備要求的80 V/50 ms 過壓浪涌、車載設(shè)備要求的100 V/500 ms 過壓浪涌^[1]），本文針對以上情況設(shè)計了一款過欠壓、防反接多功能保護(hù)電路^[2]。

過欠壓、防反接電路構(gòu)成實(shí)現(xiàn)比較簡單，所需器件比較少，僅為普通的電阻、二極管、瞬態(tài)抑制二極管、三極管和N 溝道MOS 管等。本保護(hù)電路成本較低，性價比較高；過欠壓響應(yīng)速度快，前端和后端設(shè)備都能得到及時保護(hù)；電子開關(guān)導(dǎo)通電阻僅為幾個毫歐，壓降幾乎忽略不計，滿足各種直流輸入電路，不受輸入電壓、電流大小的限制。

作者簡介：駱訓(xùn)衛(wèi)（1977—），男，湖北嘉魚，工程師，從事電源設(shè)計工作。

宋金華（1976—），男，江西新干，高級工程師，從事電源與電磁兼容研究與設(shè)計工作。

俱強(qiáng)偉（1996—），男，陜西咸陽，從事電源設(shè)計工作。

1   原理和功能

1.1 電路原理

過欠壓、防反接多功能保護(hù)電路工作原理如圖1所示。

過欠壓、防反接多功能保護(hù)電路包括3 個功能電路部分：過壓檢測電路、欠壓檢測電路和電子開關(guān)電路；具有過壓保護(hù)功能、欠壓保護(hù)功能和防反接保護(hù)功能。過欠壓、防反接多功能保護(hù)電路適用于各種直流工作電路。

1.2 保護(hù)功能

1.2.1 過壓保護(hù)功能

按圖1 所示，將過欠壓、防反接多功能保護(hù)電路接入設(shè)備輸入端，當(dāng)輸入電壓超過設(shè)定的過壓電壓值時，過壓檢測電路動作，控制電子開關(guān)電路截止，保護(hù)后端用電設(shè)備的安全。

1.2.2 欠壓保護(hù)功能

當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定的欠壓電壓值時，欠壓檢測電路動作，控制電子開關(guān)電路截止，保護(hù)前端電源（電池）設(shè)備。

1.2.3 防反接保護(hù)功能

當(dāng)輸入端的正負(fù)極性反接，防反接保護(hù)電路控制電子開關(guān)電路截止，既保護(hù)了后端用電設(shè)備，也保護(hù)了前端供電設(shè)備。

2   電路設(shè)計

2.1 使用條件

●   使用位置：適用于任何直流輸入端、輸出端；

●   輸入電壓：適用于任何直流輸入電壓；

●   輸入電流：適用于任何直流輸入電流。

2.2 組成電路

2.2.1 過欠壓、防反接電路

過欠壓、防反接電路^[3] 如圖2 所示。它由過壓檢測電路、欠壓檢測電路和電子開關(guān)電路3 個部分組成。

2.2.2 過壓檢測電路

過壓檢測電路見圖2 所示，主要由電阻R1、電阻R4、瞬態(tài)抑制二極管V1、三極管V2 和二極管V3 組成。輸入端電壓工作在過壓狀態(tài)時，電阻R1 限制流過

瞬態(tài)抑制二極管的電流，調(diào)整電阻R1 阻值可以保護(hù)瞬態(tài)抑制二極管V1 不受損壞；當(dāng)輸入電壓過壓時，瞬態(tài)抑制二極管V1 反向擊穿工作，使用反向擊穿電壓大小不同的瞬態(tài)抑制二極管V1，可以適用不同輸入電壓的過壓電路；三極管V2 根據(jù)基極電流信號轉(zhuǎn)換控制信號高低電位；當(dāng)輸入電壓低于過壓值時，電阻R4 將三極管V2 的基極電壓箝位在低電位，三極管V2 處于截止?fàn)顟B(tài)，防止三極管V2 誤動作。

當(dāng)輸入端工作電壓低于過壓臨界電壓時，瞬態(tài)抑制二極管反向截止，三極管V2 由于電阻R4 的箝位作用，控制信號為高阻狀態(tài)；當(dāng)輸入端工作電壓高于過壓臨界電壓時，瞬態(tài)抑制二極管V1 反向擊穿，輸入端電壓電流經(jīng)電阻R1 限流后，流入三極管V2 的基極，三極管屬于電流控制型，三極管V2 飽和導(dǎo)通，控制信號拉低到低電壓0.7 V（二極管V3 的導(dǎo)通電壓）。

2.2.3 欠壓檢測電路

欠壓檢測電路如圖2 所示，主要由電阻R2、瞬態(tài)抑制二極管V4、電阻R3 和二極管V5 組成。

在輸入端電壓工作在正常電壓范圍內(nèi)時，電阻R2、R3 限制流過欠壓檢測電路的電流，保護(hù)瞬態(tài)抑制二極管V4 和組成分壓電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)控制信號電壓的大小。當(dāng)輸入電壓超過欠壓電壓時瞬態(tài)抑制二極管V4 反向擊穿工作，使用反向擊穿電壓大小不同的瞬態(tài)抑制二極管V4，可以適用不同的欠壓電路；在輸入端電壓工作在低于欠壓電壓值時，電阻R3 拉低控制信號電平到0.7 V（二極管V5 的導(dǎo)通電壓）。

當(dāng)輸入端工作電壓高于欠壓電壓臨界值時，瞬態(tài)抑制二極管V4 反向擊穿，控制信號電平為電阻R3 分壓電壓。當(dāng)輸入端工作電壓低于欠壓電壓時，瞬態(tài)抑制二極管V4 反向截止，電阻R3 將控制信號電壓拉低到0.7 V。

2.24 電子開關(guān)電路

電子開關(guān)電路[4-5] 見圖2 所示，由N 溝通MOS 管Q1、Q2 和保護(hù)穩(wěn)壓管V6 組成。

穩(wěn)壓管V6 限制MOS 管Q1、Q2 的柵源電壓不超過設(shè)定的電壓范圍，保護(hù)MOS 管Q1、Q2 的柵源電壓不超過器件柵源電壓的最大值。

控制信號電平為MOS 管Q1、Q2 的柵源電壓。當(dāng)MOS 管Q2 的柵源電壓高于自身門極閾值時，MOS 管Q1、Q2 的漏極與源極導(dǎo)通，負(fù)載負(fù)極與輸入負(fù)極導(dǎo)通，MOS 管Q1、Q2 的導(dǎo)通電阻為幾毫歐，負(fù)極壓降可以忽略不計。

3   功能裁剪與組合

3.1 過壓保護(hù)功能

過壓保護(hù)功能電路[6] 如圖3 所示，由過壓檢測電路（去掉了二極管V3）、電子開關(guān)電路（去掉了MOS 管Q1）和欠壓檢測電路（去掉了瞬態(tài)抑制二極管V4 和二極管V5）組成。

當(dāng)過壓檢測電路檢測到輸入電壓高于過壓值時，控制信號電平被三極管V2 拉低到低電平，MOS 管Q2 的柵極電壓箝位到低電平，低于自身門極閾值，MOS 管Q2 處于截止?fàn)顟B(tài)，輸入負(fù)極和負(fù)載負(fù)極不導(dǎo)通，輸入正極、負(fù)載和輸入負(fù)極形成不了電路回路，實(shí)現(xiàn)了過壓保護(hù)功能。

3.2 欠壓保護(hù)功能

欠壓保護(hù)功能電路如圖4 所示，由欠壓檢測電路（去掉了二極管V5）和電子開關(guān)電路（去掉了MOS 管Q1）組成。

當(dāng)輸入端工作電壓高于欠壓電壓值時，欠壓檢測電路工作，控制信號電平高于MOS 管Q2 的門極閾值，MOS 管Q2 的漏極與源極導(dǎo)通，輸入正極、負(fù)載和輸入負(fù)極組成電路回路。

當(dāng)輸入端工作電壓低于欠壓電壓值時，電阻R3 將MOS 管Q2 的柵極電壓拉低到低電平，MOS 管Q2 的漏極與源極不導(dǎo)通，輸入正極、負(fù)載和輸入負(fù)極組成不了電路回路，實(shí)現(xiàn)了欠壓保護(hù)功能。

3.3 防反接保護(hù)功能

防反接保護(hù)功能電路如圖5 所示，由欠壓檢測電路（去掉了瞬態(tài)抑制二極管V4）和電子開關(guān)電路組成。當(dāng)輸入端正負(fù)極正常連接時，電阻R2 和R3 的分壓電平保證控制信號電平電壓高于MOS 管Q1、Q2 的門極閾值，MOS 管Q2 的漏極與源極導(dǎo)通，輸入正極、負(fù)載和輸入負(fù)極形成電路回路。

當(dāng)輸入正負(fù)極反接時，①由于二極管V5 的單向?qū)ㄐ?，電壓不能?jīng)由電阻R2、R3 分壓；②電阻R2將MOS 管Q1、Q2 的柵極電壓拉低到輸入負(fù)極電壓，MOS 管Q1、Q2 的源極和漏極關(guān)斷； ③ MOS 管Q1的內(nèi)部二極管的單向?qū)ㄐ裕斎胝龢O電壓不能通過MOS 管Q1。由于這三方面的作用，輸入正極、負(fù)載和輸入負(fù)極無法組成電路回路，實(shí)現(xiàn)了防反接保護(hù)功能。

3.4 過欠壓、防反接保護(hù)功能

過欠壓防反接保護(hù)功能電路如圖2 所示。當(dāng)輸入端工作電壓低于欠壓值時，由于欠壓保護(hù)的作用，輸入正極、負(fù)載和輸入負(fù)極形成不了電路回路，實(shí)現(xiàn)了欠壓保護(hù)功能。

當(dāng)輸入端工作在正常電壓范圍時，MOS 管Q2 的柵源電壓高于門極閾值，MOS 管Q2 的源極和漏極導(dǎo)通，由于MOS 管Q1 的內(nèi)部二極管單向?qū)ㄐ裕斎胝龢O、負(fù)載和輸入負(fù)極形成了電路回路，電路能正常地工作。

當(dāng)輸入端電壓工作高于過壓值時，由于過壓保護(hù)的作用，輸入正極、負(fù)載和輸入負(fù)極形成不了電路回路，實(shí)現(xiàn)了過壓保護(hù)功能。當(dāng)輸入端的正、負(fù)極反接時，由于防反接保護(hù)功能，輸入正極、負(fù)載和輸入負(fù)極形成不了電路回路，實(shí)現(xiàn)了防反接保護(hù)功能。

4   設(shè)計驗(yàn)證

根據(jù)上述的過欠壓防反接多功能保護(hù)電路，我們做了以下實(shí)例：

要求：受試電子設(shè)備正常工作時：直流輸入電壓范圍（18 ～ 36）V，輸出電壓24 V，要求在浪涌電壓幅值100 V，持續(xù)時間500 ms 和輸入電壓低于18 V 時不損壞電子設(shè)備。

根據(jù)以上要求，運(yùn)用saber 仿真軟件[7] 設(shè)計的過欠壓、防反接多功能保護(hù)電路仿真電路圖如圖6 所示。

圖6 運(yùn)用saber設(shè)計的仿真電路圖

參數(shù)如下表1 所示。

仿真波形如圖7 所示。

圖7 仿真波形

仿真結(jié)論：當(dāng)輸入電壓高于34.5 V，或輸入電壓低于18 V，或輸入電壓正負(fù)極反向時，過欠壓防反接多功能保護(hù)電路能快速響應(yīng)，負(fù)極輸入端關(guān)斷。當(dāng)輸入電壓在（18 ～ 34.5）V 范圍內(nèi)時，負(fù)載工作不受過欠壓防反接電路的影響。

實(shí)際電路驗(yàn)證：模擬浪涌設(shè)備在正常工作時輸出28 V，過壓浪涌電壓為100 V，持續(xù)時間500 ms，過壓波形如圖8所示。

圖8 過壓波形

按表1 參數(shù)搭設(shè)實(shí)際電路，過壓浪涌時，負(fù)載端電壓波形如圖9 所示。

圖9 負(fù)載端電壓波形

通過圖9 所示，當(dāng)輸入提供直流電壓28 V 時，負(fù)載能正常工作，當(dāng)100 V 電壓過壓浪涌時，過欠壓、防反接電路快速關(guān)斷，負(fù)載輸入端電壓為0，負(fù)載得到保護(hù)。當(dāng)電壓恢復(fù)到正常值時，負(fù)載又能正常的工作。

5   結(jié)束語

本文對過欠壓、防反接多功能保護(hù)電路的工作原理和各保護(hù)功能電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹和講解。對過欠壓、防反接多功能保護(hù)電路，我們也通過實(shí)例進(jìn)行了電腦仿真驗(yàn)證和實(shí)際電路驗(yàn)證，都達(dá)到了所提要求。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)本文的講解結(jié)合自己的實(shí)際需求，選擇一種或幾種自己需要的保護(hù)功能電路。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）