如何快速設(shè)計(jì)過壓保護(hù)電路

過壓保護(hù)電路的作用是：若開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出電壓超過設(shè)計(jì)閾值時(shí)，為保護(hù)后級(jí)用電設(shè)備防止損壞，將輸出電壓限定在安全值范圍內(nèi)。

本篇博文將從省錢省心的TVS管和可靠高效電路設(shè)計(jì)兩個(gè)方法介紹如何快速設(shè)計(jì)過壓保護(hù)電路。

1、省錢省心TVS管

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態(tài)電壓抑制器，也被稱為雪崩擊穿二極管，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。

1.1、TVS管特性

TVS管有單向與雙向之分，單向TVS管一般應(yīng)用于直流供電電路，雙向TVS管應(yīng)用于電壓交變的電路。

例如，單向TVS管應(yīng)用于直流電路時(shí)，如下圖所示。當(dāng)電路正常工作時(shí)，TVS 處于截止?fàn)顟B(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)異常過電壓并達(dá)到TVS（雪崩）擊穿電壓時(shí)，TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過電流到地，同時(shí)把異常過電壓鉗制在較低的水平，從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常過電壓的損壞。當(dāng)異常過電壓消失后，TVS 阻值又恢復(fù)為高阻態(tài)。

TVS工作原理

選用TVS管有以下幾點(diǎn)重要參數(shù)：

選用TVS管關(guān)鍵指標(biāo)

(1) Vrwm截止電壓

TVS 的最高工作電壓，可連續(xù)施加而不引起TVS劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對(duì)于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在 Vrwm下，TVS 認(rèn)為是不工作的，即是不導(dǎo)通的。電路設(shè)計(jì)時(shí)最高工作電壓必須小于Vrwm，否則將會(huì)導(dǎo)致TVS動(dòng)作導(dǎo)致電路異常。

(2) IR漏電流

漏電流，也稱待機(jī)電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過 TVS 的最大電流。TVS的漏電流一般是在截止電壓下測(cè)量，對(duì)于某一型號(hào) TVS, IR 應(yīng)在規(guī)定值范圍內(nèi)。對(duì) TVS兩端施加電壓值為Vrwm，從電流表中讀出的電流值即為TVS的漏電流IR 。對(duì)于同功率和同電壓的 TVS，在Vrwm≤10V 時(shí)，雙向TVS 漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。對(duì)于一些模擬端口，漏電流會(huì)影響AD的采樣值，所以TVS的漏電流越小越好。

(3) VBR擊穿電壓

擊穿電壓，指在 V-I 特性曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流It或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測(cè)得 TVS 兩端的電壓。測(cè)試的電流It一般選取10mA左右，施加的電流的時(shí)間不應(yīng)超過400ms，以免損壞器件，VBR MIN 和 VBR MAX 是 TVS 擊穿電壓的一個(gè)偏差，一般 TVS 為±5%的偏差。測(cè)量時(shí)，VBR 落在VBR MIN和VBR MAX之間視為合格品。

(4) IPP峰值脈沖電流，VC鉗位電壓

峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。TVS一般選用 10/1000μs 電流波形。鉗位電壓，施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流 I PP 時(shí)，TVS 兩端測(cè)得的峰值電壓。IPP及VC是衡量 TVS 在電路保護(hù)中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)是相互聯(lián)系的。對(duì)于 TVS 在防雷保護(hù)電路中的鉗位特性，可以參考VC這個(gè)參數(shù)。對(duì)于相同型號(hào)TVS，IPP越大，耐脈沖電流沖擊能力越強(qiáng)，若在IPP相同下的VC越小，說明TVS的鉗位特性越好。

(5) 結(jié)電容Cj

結(jié)電容是TVS中的寄生電容，在高速IO端口保護(hù)需要重點(diǎn)關(guān)注，過大的結(jié)電容可能會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。

1.2、TVS管選型

選用TVS管，有三個(gè)要點(diǎn)需要注意：

電壓合適能保護(hù)后級(jí)電路；

引入的TVS的結(jié)電容不能影響電路；

TVS功率余量充足，滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，且不能比保險(xiǎn)管先掛。

選型的過程可以按照以下的思路步驟進(jìn)行：

選擇TVS最高工作電壓Vrmw；

選擇TVS鉗位電壓VC；

選擇TVS的功率；

評(píng)估漏電流Ir的影響；

評(píng)估結(jié)電容的影響。

具體說明如下所示：

(1) 選擇TVS最高工作電壓Vrmw

在電路正常工作情況下，TVS應(yīng)該是不工作的，即處于截止?fàn)顟B(tài)，所以 TVS 的截止電壓應(yīng)大于被保護(hù)電路的最高工作電壓。這樣才能保證 TVS 在電路正常工作下不會(huì)影響電路工作。但是 TVS 的工作電壓高低也決定了 TVS 鉗位電壓的高低，在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下，TVS 工作電壓也不能選取的過高，如果太高，鉗位電壓也會(huì)較高，所以在選擇 Vrwm 時(shí)，要綜合考慮被保護(hù)電路的工作電壓及后級(jí)電路的承受能力。要求Vrwm要大于工作電壓，否則工作電壓大于Vrwm會(huì)導(dǎo)致TVS反向漏電流增大，接近導(dǎo)通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。

Vrwm可以參考以下的公式：

Vrwm≈1.1~1.2*VCC（其中VCC為電路的最高工作電壓）

(2) 選擇TVS鉗位電壓VC

TVS 鉗位電壓應(yīng)小于后級(jí)被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，VC與TVS的雪崩擊穿電壓及IPP都成正比。對(duì)于同一功率等級(jí)的 TVS，其擊穿電壓越高VC也越高，所選TVS的最大箝位電壓VC不能大于被防護(hù)電路可以承受的最大電壓。否則，當(dāng)TVS鉗在VC時(shí)會(huì)對(duì)電路造成損壞。

Vc可以參考以下的公式：

VC＜Vmax（其中Vmax為電路能承受的最高電壓）

(3) 選擇TVS的功率Pppm（或者Ipp）

TVS產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，理論上，TVS的功率越大越好，能夠承受更多的沖擊能量和次數(shù)，但是功率越高，TVS的封裝越大，價(jià)錢也越高，所以，TVS的功率滿足要求即可。對(duì)于不同功率等級(jí)的 TVS，相同電壓規(guī)格的 TVS 其 V C 值是一樣的，只是 I PP 不同。故 Pppm 與 Ippm成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。對(duì)于某一電路，有對(duì)應(yīng)的測(cè)試要求，設(shè)實(shí)際電路中的最大測(cè)試電流為 Iactual ，則 Iactual 可估算為：

Iactual=Uactual/Ri（Uactual為測(cè)試電壓，Ri為測(cè)試內(nèi)阻）

TVS 要通過測(cè)試，故實(shí)際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P actual 為：-------其中di/dt為波形轉(zhuǎn)換系數(shù)，如實(shí)際測(cè)試波形為其他波形，如 8/20μs波形，建議di/dt取，如測(cè)試波形為 10/1000μs，取，實(shí)際選型中，TVS 應(yīng)留有一定的裕量，TVS 的功率PPMP 選擇應(yīng)遵循Pppm＞Pactual。

(4) 根據(jù)所選的TVS的結(jié)電容和漏電流評(píng)估影響

若TVS 用在高速IO端口防護(hù)、模擬信號(hào)采樣、低功耗設(shè)備場(chǎng)合，就需要考慮結(jié)電容和漏電流的影響，兩則的參數(shù)越小越好。

選型舉例

例如：電路的正常工作電壓VCC是24V，最高工作電壓Vmax是26V，后級(jí)電路可承受的最高瞬態(tài)電壓為50V，實(shí)驗(yàn)的測(cè)試波形為 8/20μs波形，測(cè)試電壓500V，測(cè)試電源內(nèi)阻及PPTC的靜態(tài)電阻合計(jì)為2Ω。根據(jù)上述信息選擇合適的TVS。

(1) 選擇TVS最高工作電壓

Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

(2) 選擇選擇TVS鉗位電壓

VC＜Vmax=50V

(3) 計(jì)算實(shí)際測(cè)試波形功率：

Pact=50*（500/3）*1/2=4166W

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以選用5.0SMDJ26A這個(gè)TVS，由于這個(gè)TVS用在電源端口，結(jié)電容和漏電流可根據(jù)具體實(shí)際電路選用。

5.0SMDJ26A TVS關(guān)鍵參數(shù)

1.3、實(shí)際電路應(yīng)用

當(dāng)設(shè)備的端口的工作電壓超過了TVS的最高擊穿電壓（VBR MAX），TVS可以看成一個(gè)低阻抗的電阻，流過的電流非常大，電阻不斷發(fā)熱，如果沒有其他措施，這個(gè)TVS很快就會(huì)掛掉，失效的TVS大概率變成了開路，后級(jí)的電路仍然處于沒有保護(hù)之中。所以最好在TVS前面加一個(gè)保險(xiǎn)管，在TVS掛掉前，保險(xiǎn)管先失效斷路，就可以保護(hù)TVS和后級(jí)電路，如果換成自恢復(fù)保險(xiǎn)管，故障排除后就可以自行恢復(fù)正常工作。

TVS用于防止過壓保護(hù)的工作原理

如下圖所示是RS485的過壓保護(hù)電路，RS485芯片的工作電壓一般是5V，能夠承受的極限電壓一般是12V。通常設(shè)備的工作電壓一般是12V或者24V，如果誤將24V電源電壓接到RS485A-B線上且沒有過壓保護(hù)，大概率RS485芯片會(huì)物理損壞。TVS管專門用于瞬間過壓保護(hù)，無法應(yīng)付長(zhǎng)時(shí)間的過壓，不到0.5STVS就會(huì)因過熱燒毀，后級(jí)電路就會(huì)失去保護(hù)。

如果在TVS的前面增加自恢復(fù)PTC，且PTC的跳閘時(shí)間足夠短，并且TVS的鉗位電壓Vc＜電路最高工作電壓VCC，在TVS燒毀之前PTC跳閘，就可以實(shí)現(xiàn)后級(jí)電路的保護(hù)。?

TVS管和自恢復(fù)PPTC配合使用時(shí)的計(jì)算思路過程如下所示：

(1) 保護(hù)實(shí)現(xiàn)的前提條件

當(dāng)外加電壓達(dá)到TVS的擊穿電壓時(shí)，TVS開始導(dǎo)通，阻抗變低，流過的電流不斷增大。隨著電流的不斷增大，PPTC的阻抗不斷增大，不斷發(fā)熱，最終PPTC變成斷路失效，整個(gè)后級(jí)電路得以保護(hù)。所以要實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)，需要2個(gè)前提：

TVS的功率足夠大，大到可以堅(jiān)持到PPTC斷路；

PPTC的動(dòng)作時(shí)間要足夠小，小到要在TVS失效前動(dòng)作。

(2) PPTC選型

用于過壓保護(hù)時(shí)，PPTC的選型需要滿足以下幾個(gè)條件：

持續(xù)電流Ihold＞電路最大工作電流 Iwork；

最大動(dòng)作時(shí)間Trip越短越好，如 SMD1812B020TF，當(dāng)通過 PPTC 的電流為 8A 時(shí)，PPTC 的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)不大于 0.02s；

最大過載電流Imax，工作溫度范圍內(nèi) PPTC不能超過的電流值，超過PPTC很大概率會(huì)永久性損壞；

最大工作電壓Vmax，工作溫度范圍內(nèi)PPTC不能超過的最大工作電壓值，超過PPTC很大概率會(huì)永久性損壞。

(3) TVS選型

TVS的選型要求如下：

參照：上述1.2、TVS管選型小節(jié)；

計(jì)算TVS可承受最大的熱量Qtvs=P*t=P/1000（規(guī)格書給出的一般是1000uS下的功率，除以1000是轉(zhuǎn)換為單位S）。

計(jì)算所選的TVS實(shí)際的工作熱量：

Qact=Vc*Itrip*Tptc（Vc：TVS的鉗位電壓；Itrip：PTC保險(xiǎn)的跳閘電流；Tptc：跳閘電流下的跳閘時(shí)間。）

TVS的可承受熱量實(shí)際選型Qtvs＞理論計(jì)算Qact；

電路設(shè)計(jì)舉例

如下圖所示，PTC和TVS配合用于RS485過壓保護(hù)，設(shè)備的供電電壓是24V，RS485芯片選用MAX488，正常工作電壓5V，最高可承受12V，正常工作電流＜1mA，選擇合適的PTC和TVS。

PTC和TVS配合用于RS485保護(hù)

(1) PTC選型

由于RS485的工作電流非常小，PTC電流選擇最小的即可，關(guān)鍵參數(shù)是跳閘時(shí)間Trip，Trip越小越好，越小跳閘時(shí)間越短，對(duì)TVS的功率要求越低，封裝越小，成本越低。經(jīng)過選型，SMD1812B020TF電流和電壓滿足要求，跳閘時(shí)間Trip是最短的，為0.02S。

(2) TVS選型：

TVS電壓選型

由于RS485的工作電壓VCC為5V，極限電壓為12V，因此TVS的工作電壓Vrwm≥5V，鉗位電壓≤12V；可以預(yù)選SMBJ5.0A。Vrwm=5V，Vc=9.2V。

TVS的功率選型

a. 估算實(shí)際TVS需要承受的熱量

假設(shè)TVS工作在最大鉗位電壓，流過的電流為保險(xiǎn)管的跳閘電流：

Qact=P*t=U*I*t=Vc*I trip*Tptc=9.2V*8*0.02S=1.472J

b. 估算實(shí)際TVS的實(shí)際功率

由于廠家給出的TVS測(cè)試的功率都是在1us的脈沖寬度下測(cè)量的，因此需要將上述的估算的熱量折算為1uS時(shí)對(duì)應(yīng)的TVS的功率。

Ptvs＞Qact/1us=1.472J/1us=1472W

換算成峰值電流為：Ipp=P/Vc=1472W/9.2V=160A

因此，最終TVS選擇Vc=9.2V，Ipp=163的SMCJ5.0A。

有的朋友認(rèn)為上述的計(jì)算過程沒有降額，實(shí)際上上述的計(jì)算過程基本都是按照極端的情況，忽略了PTC隨著溫度升高的電阻指數(shù)型增加，PTC上的電阻會(huì)分擔(dān)很大一部分電壓，到后期PTC瀕臨斷路，TVS的承受壓降幾乎為零。因此不但不用降額，甚至TVS的功率可以選擇乘以實(shí)際計(jì)算的0.5~0.8系數(shù)。

1.4、總結(jié)

TVS用于過壓保護(hù)存在兩個(gè)局限性：小信號(hào)和低速。

(1) 小信號(hào)問題

小信號(hào)比較好理解，我們電路用的是正常電流0.2A的PTC，但是選用的是160A的TVS，比例接近800倍，不可想象，如果用一個(gè)2A的PTC電源端口，TVS的功率需要超過15KW，售價(jià)接近10元，這個(gè)成本幾乎是沒人能接受的。

由于PTC是自恢復(fù)，故障去除后又可以正常工作，避免了頻繁更換的煩惱，但是PTC的跳閘時(shí)間較長(zhǎng)，同等是0.2A的玻封保險(xiǎn)管，電路達(dá)到8A的時(shí)候，幾乎是10ms以內(nèi)就可以跳閘，而PTC最短是200ms，這就導(dǎo)致了TVS的功率必須選得更大，以堅(jiān)持到PTC跳閘（PTC要比TVS先失效才能起保護(hù)作用）。

(2) 低速的問題

一般的TVS的結(jié)電容為幾十pF到數(shù)百pF，同功率等級(jí)，TVS電壓越低，結(jié)電容越大，在小信號(hào)端口使用的功率TVS，除非是低電容的TVS，常規(guī)的功率TVS結(jié)電容都會(huì)在幾十pF，因此小信號(hào)的速率不能過高，最好不要超過1Mbps。

(3) 精確度問題

上文提到的計(jì)算過程基本都是估算的，這是因?yàn)門VS和PTC屬于電壓和電流敏感型器件，失效模式都是熱失效，細(xì)心的朋友會(huì)發(fā)現(xiàn)，廠家的TVS手冊(cè)提供的電壓、電流、溫度等關(guān)系，都是給出一個(gè)大概的曲線圖，都沒有給出精確的計(jì)算公式。

本文計(jì)算時(shí)雖然使用了精確的公式，但是都是極端情況下的，實(shí)際選用的TVS可以比計(jì)算值乘以系數(shù)0.5~0.8問題都不大，具體以實(shí)物測(cè)試為準(zhǔn)。例如上例計(jì)算選擇160A的TVS，實(shí)測(cè)使用100A的也能滿足要求。

2、可靠高效電路

簡(jiǎn)單的過壓保護(hù)電路一般加個(gè)TVS可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)外部有瞬間高能量沖擊時(shí)候它能夠把這股能量抑制下來，雖然功率高，上千W都可以，但是維持抑制的時(shí)間很短很短，萬一器件損壞或者長(zhǎng)時(shí)間工作電壓高于正常工作電壓的時(shí)候，就力不從心了。

所以最好的辦法是設(shè)計(jì)一個(gè)智能電路了，如下所示：