過壓保護(hù)及瞬態(tài)電壓抑制電路設(shè)計(jì)

利用電池供電的移動設(shè)備通常需要通過外置的 AC適配器對系統(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)的適配器往往會給用戶帶來潛在的錯插風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致設(shè)備因過高的電壓而燒毀。另一方面，來自 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，在移動設(shè)備設(shè)計(jì)中就有必要加入充電端口的過壓保護(hù)電路，以避免上述情況對設(shè)備后端電路的破壞。

本文介紹的過壓保護(hù)電路由過壓保護(hù)開關(guān)（OVP Switch）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

在整個方案中，核心部分器件為過壓保護(hù)開關(guān)，以美國研諾邏輯科技有限公司（AATI）的過壓保護(hù)開關(guān) AAT4684為例，過壓保護(hù)開關(guān)的內(nèi)部主要是由控制邏輯電路和 PMOS管組成，當(dāng) OVP端的檢測電壓高于特定電壓閾值之后，邏輯電路就會通過柵極關(guān)斷 PMOS的溝道。由于該 PMOS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）。

圖2：AAT46842 內(nèi)部原理圖。

通過以下實(shí)驗(yàn)可以說明當(dāng)過壓保護(hù)開關(guān)的輸入端出現(xiàn)過高電壓時它對后端電路所起到的保護(hù)作用。

圖3所示為測試所用電路原理圖，輸入端為 12V平穩(wěn)直流源，電源通過一段長度為 1米的導(dǎo)線與 AAT4684的輸入端相連， CH1為 AAT4684輸入電壓的測試點(diǎn)， CH 2為 AAT4684輸出電壓的測試點(diǎn)，CH3為其輸出電流探測點(diǎn)。將 AAT4684的 OVP保護(hù)電壓設(shè)為 6V（即當(dāng)電壓超過 6V后，開關(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，對系統(tǒng)的上電過程通過導(dǎo)線和電源的機(jī)械性拔插來實(shí)現(xiàn)。

圖3：測試所用電路原理圖。

由圖4所示的波形中可以到，在電路上電的時刻，輸入端的電壓很快超過了 6V并最終穩(wěn)定在了 12V左右，而輸出端電壓由于 OVP開關(guān)的作用，始終維持在 0V電壓，即 AAT4684輸出端之后的電路不會因過高的輸入電壓而受到影響，后端電路器件在此時受到了 AAT4684的過壓保護(hù)。

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圖4：經(jīng)示波器測得的各通道的電壓及電流波形。

但是在這同時卻發(fā)現(xiàn)當(dāng)電源電壓插入的瞬間， AAT4684輸入端的電壓呈現(xiàn)了一個超過 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），在拔插電源時會發(fā)生 OVP開關(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)線上。任何一段有長度導(dǎo)線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)線上串聯(lián)了一個分立電感器，同時由于芯片的輸入端存在的輸入電容，接合起來就相當(dāng)于一個如圖 5所示的 LC振蕩電路；而這個電路當(dāng)輸入一個階躍時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)線電感構(gòu)成的LC振蕩電路。

由于這些等效器件的存在，就會在系統(tǒng)上電的瞬間于 OVP開關(guān)輸入端產(chǎn)生一個高于電源的電壓。過高的瞬間電壓就類似靜電放電電壓，雖然總能量不大，但是如果其電壓值在瞬間高過了 OVP開關(guān)的最高耐壓范圍，就足以將 OVP開關(guān)內(nèi)部的 MOSFET擊穿，使得芯片輸入端對地發(fā)生短路，失去作用。因此在考慮過壓保護(hù)設(shè)計(jì)時，還應(yīng)考慮對電路輸入端可能出現(xiàn)的瞬態(tài)高壓的防護(hù)。

為解決以上問題，可以在 AAT4684的輸入端放置TVS來實(shí)現(xiàn)對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，它能以納秒級的速度，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預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線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、無損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備之中。

由于 OVP保護(hù)開關(guān)雖然可以持續(xù)地長時間承受耐壓范圍內(nèi)的電壓，但是卻無法經(jīng)受超過其耐壓范圍的瞬時電壓沖擊，而TVS結(jié)構(gòu)的二級管，雖然無法承受長時間的導(dǎo)通電流，但是卻可以在瞬時吸收很高的電壓沖擊，通過自身的雪崩導(dǎo)通來限制其兩端的最高電壓，對電壓起到鉗位的作用。因此將 TVS管置于 OVP開關(guān)電路之前，就可以有效地防止瞬時高壓對 OVP開關(guān)的破壞，同時 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。

圖6：耐高壓電路邏輯圖。