過壓保護(hù)及瞬態(tài)電壓抑制電路設(shè)計

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，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。

通過以下實驗可以說明當(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， CH 2為 AAT4684輸出電壓的測試點，CH3為其輸出電流探測點。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)。

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，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。

由于 TVS本身就是屬于 ESD保護(hù)器件，可以同時提高設(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)計就可以在真正意義上實現(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開關(guān)導(dǎo)通并存在一個持續(xù)較大工作電流流過時，此時如果突然關(guān)閉開關(guān)（比如啟動了 OCP過流保護(hù)或 OTP過溫保護(hù)），因?qū)Ь€電感中的電流不會突變，導(dǎo)線電感中的瞬時電流的變化會在 AAT4684的輸入端產(chǎn)生一個高于電源的電壓，這就使得 OVP開關(guān)會在一個很短的時刻需要承受一個極高的電壓，其原理有些類似于開關(guān)升壓電路（如圖 7所示）。

圖7：開關(guān)升壓電路.

以下實驗為了說明這類現(xiàn)象所可能產(chǎn)生的實際輸入電壓的突變，當(dāng)過壓保護(hù)開關(guān)有大電流流過并正常工作時將 AAT4684加溫使之自動進(jìn)入過溫保護(hù)（ OTP）狀態(tài)來觀察此時輸入端可能產(chǎn)生的波形變化。該實驗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。

實驗時對 AAT4684進(jìn)行加熱至芯片過熱保護(hù)功能啟動，內(nèi)部的 MOSFET立刻關(guān)斷。可以看到，在大約 400ns的時間里，由于流過開關(guān)管的電流被快速關(guān)斷，在 OVP的輸入和輸出端瞬間確實出現(xiàn)了一個超過 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，這個沖擊電壓也同樣會更高，雖然持續(xù)的時間極短，但是完全有可能在尖峰時刻突破 OVP開關(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開關(guān)接通電源時的過程，可以發(fā)現(xiàn)，因 OVP開關(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間里， PMOS柵極電壓沒有立刻置高，因此 PMOS溝道還沒來得及關(guān)斷（這個時間大約會持續(xù) 0.1us），雖然對后端電路不會有什么影響，但是這個時間產(chǎn)生的導(dǎo)通電流在 PMOS關(guān)斷的時刻同樣會產(chǎn)生類似前文所述的問題，即在 OVP的輸入端產(chǎn)生的一個時間極短的過高電壓沖擊可能會危及 OVP開關(guān)正常工作。

圖8：開關(guān)關(guān)閉時各種電壓變化的測量結(jié)果。

為了避免上面所述的這兩種情況帶來的瞬間高壓對 OVP開關(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題。由于 TVS管和 OVP開關(guān)具有其各自的功能特點，當(dāng)電路在正常工作時，OVP開關(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，OVP就起到了對高壓很好地持續(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)致瞬時高壓沖擊出現(xiàn)時， 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開關(guān)的安全。其兩者的共同作用就可以有效地實現(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。

本文特別感謝美國研諾邏輯科技有限公司中國區(qū)應(yīng)用工程部總監(jiān)譚磊（Taylor Tan）先生及華東區(qū)應(yīng)用工程部經(jīng)理毛錚（Frank Mao）先生對本文的修改和指正。在文章最后部分將附上使用 TVS管前后實驗測得的波形，以供讀者對照分析，可以進(jìn)一步理解 TVS加 OVP開關(guān)在電路端口保護(hù)設(shè)計中的必要性。

附錄 :

以下實驗對 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時將OVP加熱進(jìn)入過溫保護(hù)瞬間波形，圖B1為前端沒有TVS的波形，圖B2為前端加了TVS時的波形（TVS導(dǎo)通電壓為16V）

圖A1: 無TVS時輸入端波形

圖A2: 有TVS時輸入端波形。

圖B1: 前端沒有TVS時過溫保護(hù)瞬間。