硬件设计之一——电源设计01：电源防护

一般的产品用的都是直流电源，像手持产品多是5V电源，一些小设备也是5V，大一些的设备12V的稍多一些，车载电子产品有12V和24V两种电源。

       这些电源输入的防护电路主要包括过压保护，过流保护，防反接，储能/滤波电路等。

下面是两个车载产品中的示例，

示例1：12V电源进来后分别是LC滤波(防护电压波动)，保险丝过流保护，TVS(高电压脉冲)防护，共模电感滤波(针对车载电源共模干扰)；防反接保护在负极上；

示例2：12V电源进来后分别是LC滤波(防护电压波动)/共模电感滤波(针对车载电源共模干扰)，防反接保护，TVS(高电压脉冲)防护；这里没有保险丝过流保护，是因为这款产品使用了外置保险丝；

下面分部介绍。

• TVS(高电压脉冲)防护

　在DCinput的时候，有时由于供电环境的变化会带来一些瞬时脉冲。而要消除瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引到地,一般具体做法是将TVS管在线路板上与被保护线路并联。这样，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS管将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS管被短路到GND，从而避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。而当瞬时脉冲结束以后，TVS管再自动恢复至高阻状态，整个回路又回到正常电压状态。

        

     这种防护只能应对由于供电环境的变化会带来一些瞬时脉冲，如果是电压输入不稳定，或者有长时间超过规定电压的情况，那么要用其他方法搭建限压电路，高于或低于规定的电压就进行截断电源的操作，相关知识可自行搜索。

        TVS(Transient Voltage Suppressor)二极管，又称为瞬态抑制二极管，是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。主要用在具有静电和电压尖峰的电路中起保护作用。

TVS工作过程

        上图是TVS的工作图形，首先解释几个TVS相关的参数：

        1、VRWM（最大反向工作电压）：在这个电压下，TVS的功耗很小，使用时要使被保护电路的工作电压低于此值，以便TVS接入电路后不影响电路工作。

        2、VBR（反向击穿电压）：这是TVS管通过电流IR时的电压，这是TVS管导通的标志电压，从此点开始TVS进入雪崩击穿。

        3、VCL（最大钳位电压）：指当TVS流过IPP电流时的电压，是TVS管将电压尖峰钳制到的电位值。比如来了1000V、2000V的电压尖峰，都会被TVS钳制到VCL电平。VCL要小于被保护电路的最大耐压值，比如被保护芯片耐压30V，那么就要选VCL小于30V的TVS。

        4、IPP（最大反向脉冲峰值电流）：是TVS允许通过的最大脉冲峰值电流，超过此值，TVS可能损坏。

        5、TVS管分为单极性和双极性，若TVS管有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压(浪涌电压)冲击时，应当选用双极性的，否则选用单极性。

        6、CJ（结电容）：电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，这是在特定的1MHz频率下测得的。C的大小与TVS管的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS管的重要参数。对于信号频率越高的回路，TVS的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度也大。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS，电容不大于3 pF)，而对电容要求不高的回路，电容的容量选择可高于40 pF。

选型

        1、首先确定电路是否存在两个方向的电压尖峰，如果有就选双极性TVS，如果没有就选单极性TVS。

        2、确定电路的正常工作电压、最大耐压值，凭此来确定TVS的VRWM、VCL。

        3、大概评估电压尖峰的频率、幅值，从而确定TVS的功率，从而确定其封装。

        比如一个DCDC电路，正常工作电压24V，电源芯片耐压值为40V，电压尖峰能量并不大。那么TVS就要选单极性，VRWM大于24V，VCL小于40V的TVS，电压尖峰能量不是很大，封装可以选SOD123的。

        选择上图中的SMF24A是比较合适。
 

• 防反接保护

二级管型防反接保护电路

1、通常情况下直流电源输入防反接保护电路是利用二极管的单向导电性来实现防反接保护。如下图1示：

这种接法简单可靠，但当输入大电流的情况下功耗影响是非常大的。以输入电流额定值达到2A,如选用Onsemi的快速恢复二极管 MUR3020PT，额定管压降为0.7V，那么功耗至少也要达到：Pd＝2A×0.7V＝1.4W，这样效率低，发热量大，要加散热器。

2、另外还可以用二极管桥对输入做整流，这样电路就永远有正确的极性(图2)。这些方案的缺点是，二极管上的压降会消耗能量。输入电流为2A时，图1中的电路功耗为1.4W，图2中电路的功耗为2.8W。

 图一

图1中，一只串联二极管保护系统不受反向极性影响，二极管有0.7V的压降，

图二 桥式整流器

图2 是一个桥式整流器，不论什么极性都可以正常工作，但是有两个二极管导通，功耗是图1的两倍。

MOS管型防反接保护电路

N沟道MOS管通过S管脚和D管脚串接于GND通路上，电阻R1、R2为MOS管提供电压偏置，利用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开，从而防止电源反接给负载带来损坏。正接时候，R2提供VGS电压，MOS饱和导通。反接的时候MOS不能导通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ实际损耗很小，2A的电流，功耗为（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散热片。解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题

P沟道MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电阻R1、R2为MOS管提供电压偏置，利用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开，从而防止电源反接给负载带来损坏。正接时候，R1提供VGS电压，MOS饱和导通。反接的时候MOS不能导通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ实际损耗很小，2A的电流，功耗为（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散热片。解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题

VZ1为稳压管防止栅源电压过高击穿mos管。NMOS管的导通电阻比PMOS的小，最好选NMOS。

NMOS管接在电源的负极，栅极高电平导通。

PMOS管接在电源的正极，栅极低电平导通。

R1和R2构成一个分压电路，给MOS管的栅极提供一个合适的电压让它可以导通，而VZ1则是保护MOS管的栅极不要超过它的门槛电压。而C1和R3可以理解为对电路的保护作用吧，电路未工作时，此刻可以通过C1和R3这两个器件构成电路中的交流信号滤除作用，也可以释放后面容性负载或者感性负载的能量释放。
 

 

• 过电流保护

多电流保护电路有很多种，最长使用的是保险丝。

保险丝限流保护

保险丝限流保护广泛应用于开关电源等电路当中，保险丝有自恢复和不可恢复的，PTC就属于可恢复的一种，保险丝的工作原理是电流发生异常时候，当功率升高到一定的强度时候，电流导致温度过热保险丝熔断，输入电路断开。

其他还有多种方法，感兴趣的话可以自行搜索。

• 共模电感

采用共模电感滤波通常针对存在共模干扰的车载电路等环境，简单进行如下介绍。

　　实际上，在电源中差模干扰和共模干扰往往同时存在，因此，电源滤波电路一般指将共如上图所示。模和差模滤波结合起来，

　　Le为共模扼流圈，由于LC的两个线圈绕向一致，当电源输人电流流过LC时，所产生的磁场可以互相抵消，不会引起磁芯的饱和，因此，它使用导磁率高的磁芯。Le对共模噪声来说，相当于一个很大电感量的电感，故它能有效地抑制共模传导噪声。负载输入端分别对地并接的电容Cy对共模噪声起旁路作用。共模扼流圈两端并联的电容CX对差模噪声起抑制作用。R为CX的放电电阻，它是VDE-0806和IEC-380安全技术条件标准所推荐的。图中各元件的参数范围：Cx=0.1~2pF;Cy=22~33nF;Le=几~几十mH，随工作电流不同而取不同的参数值。如电流为25A时，Le=1，8mH;电流为0.3A;Le=47mH。扼流圈一般用高磁导率棒状磁芯材料，对于消除高频干扰效果很好，但对于大工作电流之情况，扼流圈的体积比较庞大，用以避免磁饱和。

• pi型滤波电路

π型滤波器包括两个电容器和一个电感器，它的输入和输出都呈低阻抗。π型滤波有RC和LC两种，

　　在输出电流不大的情况下用RC，R的取值不能太大，一般几个至几十欧姆，其优点是成本低。其缺点是电阻要消耗一些能量，效果不如LC电路。滤波电容取大一点效果也不错。

　LC电路里有一个电感，根据输出电流大小和频率高低选择电感量的大小。其缺点是电感体积大，笨重，价格高。现在一般的电子线路的电源都是RC滤波。很少用LC滤波电路.

在SoC的电源输入端，常常采用磁珠 电容的pi型滤波电路(如下图)，滤除电源上的高频噪声。

在模拟器件的电源输出端，常常采用RC的pi型滤波电路，滤除电源上的低频噪声。