如何设计过压保护电路？

时间：2022-09-09 00:00:00 电路中电阻过高电路电容分压吗 smbj5364b二极管 smdj160a二极管

1、省钱省心TVS管

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管，是二极管形式的高效保护装置。

1.1、TVS管特性

TVS管道分为单向和双向，单向TVS管道一般用于直流供电电路，双向TVS管道用于电压交变电路。

例如，单向TVS管应用于直流电路时，如下图所示。当电路正常工作时，TVS 截止状态(高阻态)不影响电路的正常运行。当电路出现异常过电压时，达到TVS(雪崩)击穿电压时，TVS 快速从高电阻状态突变为低电阻状态，释放异常过电压引起的瞬时过电流到地，将异常过电压钳制在较低水平，保护后电路免受异常过电压损坏。当异常过电压消失时，TVS 电阻恢复为高电阻。

TVS工作原理

选用TVS管道有以下重要参数：

选用TVS管关键指标

(1) Vrwm截止电压

TVS 最高工作电压，可引起连续施加TVS最高工作峰值电压或直流峰值电压的劣化或损坏。用最高工作电压的有效值表示交流电压 Vrwm下，TVS 认为它不工作，也就是说，它不是指导。电路设计的最高工作电压必须小于Vrwm，否则会导致TVS动作导致电路异常。

(2)IR漏电流

漏电流，又称待机电流。在规定的温度和最高工作电压下流过 TVS 最大电流。TVS一般在截止电压下测量漏电流，对于某一型号 TVS, IR 在规定的值范围内。 TVS两端施加的电压值为Vrwm，从电流表中读取的电流值是TVS的漏电流IR 。对于同功率和同电压 TVS，在Vrwm≤10V 时，双向TVS 漏电流是单向 TVS 漏电流的 2 倍。对于一些模拟端口，漏电流会影响AD所以TVS漏电流越小越好。

(3)VBR击穿电压

击穿电压，指在 V-I 在特征曲线上，在规定的脉冲直流电流中It或接近发生雪崩的电流条件下测得 TVS 两端的电压。测试的电流It一般选取10mA施加的电流不得超过400ms，避免损坏设备，VBR MIN 和 VBR MAX 是 TVS 一般来说，击穿电压的偏差 TVS 为±5%的偏差。测量时，VBR 落在VBR MIN和VBR MAX视为合格品。

(4)IPP峰值脉冲电流，VC钳位电压

给定脉冲电流波形的峰值脉冲电流。TVS一般选用 10/1000μs 电流波形。钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流 I PP 时，TVS 两端测量的峰值电压。IPP及VC是衡量 TVS 抗浪涌脉冲电流和限制电压能力的参数在电路保护中是相互关联的。对于 TVS 可参考防雷电路中的钳位特性VC这个参数。同型号TVS，IPP在IPP相同下的VC越小，说明TVS钳位特性越好。

(5)结电容Cj

结电容是TVS寄生电容在高速公路上IO要注意端口保护，结电容过大可能会影响信号的质量。

1.2、TVS管选型

选用TVS注意管道有三个要点：

适当保护后电路的电压；
引入的TVS结电容不影响电路；
TVS充足的功率余量，满足测试标准，不能先挂在保险管上。

选型过程可按以下思路步骤进行：

选择TVS工作电压最高Vrmw；
选择TVS钳位电压VC；
选择TVS的功率；
评估漏电流Ir的影响；
评估结电容的影响。

具体说明如下：

(1) 选择TVS最高工作电压Vrmw

电路正常工作时，TVS不应该工作，即处于截止状态，所以 TVS 截止电压应大于受保护电路的最高工作电压。这样才能保证 TVS 电路正常工作不会影响电路工作。但是 TVS 的工作电压高低也决定了 TVS 当截止电压大于线路正常工作电压时，钳位电压高低，TVS 工作电压不能选择太高，如果太高，钳位电压会更高，所以在选择中 Vrwm 综合考虑被保护电路的工作电压和后电路的承载能力。要求Vrwm大于工作电压，否则工作电压大于工作电压Vrwm会导致TVS反向漏电流增大，接近导通或雪崩击穿，影响正常路工作。

Vrwm可以参考以下的公式：

Vrwm≈1.1~1.2*VCC（其中VCC为电路的最高工作电压）

(2) 选择TVS钳位电压VC

TVS 钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，VC与TVS的雪崩击穿电压及IPP都成正比。对于同一功率等级的 TVS，其击穿电压越高VC也越高，所选TVS的最大箝位电压VC不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则，当TVS钳在VC时会对电路造成损坏。

Vc可以参考以下的公式：

VC＜Vmax（其中Vmax为电路能承受的最高电压）

(3) 选择TVS的功率Pppm（或者Ipp）

TVS产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，理论上，TVS的功率越大越好，能够承受更多的冲击能量和次数，但是功率越高，TVS的封装越大，价钱也越高，所以，TVS的功率满足要求即可。对于不同功率等级的 TVS，相同电压规格的 TVS 其 V C 值是一样的，只是 I PP 不同。故 Pppm 与 Ippm成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。对于某一电路，有对应的测试要求，设实际电路中的最大测试电流为 Iactual ，则 Iactual 可估算为：

Iactual=Uactual/Ri（Uactual为测试电压，Ri为测试内阻）

TVS 要通过测试，故实际电路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P actual 为：-------其中di/dt为波形转换系数，如实际测试波形为其他波形，如 8/20μs波形，建议di/dt取，如测试波形为 10/1000μs，取，实际选型中，TVS 应留有一定的裕量，TVS 的功率PPMP 选择应遵循Pppm＞Pactual。

(4) 根据所选的TVS的结电容和漏电流评估影响

若TVS 用在高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合，就需要考虑结电容和漏电流的影响，两则的参数越小越好。

选型举例

例如：电路的正常工作电压VCC是24V，最高工作电压Vmax是26V，后级电路可承受的最高瞬态电压为50V，实验的测试波形为 8/20μs波形，测试电压500V，测试电源内阻及PPTC的静态电阻合计为2Ω。根据上述信息选择合适的TVS。

(1) 选择TVS最高工作电压

Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

(2) 选择选择TVS钳位电压

VC＜Vmax=50V

(3) 计算实际测试波形功率：

Pact=50*（500/3）*1/2=4166W

根据计算结果，可以选用5.0SMDJ26A这个TVS，由于这个TVS用在电源端口，结电容和漏电流可根据具体实际电路选用。

5.0SMDJ26A TVS关键参数

1.3、实际电路应用

当设备的端口的工作电压超过了TVS的最高击穿电压（VBR MAX），TVS可以看成一个低阻抗的电阻，流过的电流非常大，电阻不断发热，如果没有其他措施，这个TVS很快就会挂掉，失效的TVS大概率变成了开路，后级的电路仍然处于没有保护之中。所以最好在TVS前面加一个保险管，在TVS挂掉前，保险管先失效断路，就可以保护TVS和后级电路，如果换成自恢复保险管，故障排除后就可以自行恢复正常工作。

TVS用于防止过压保护的工作原理

如下图所示是RS485的过压保护电路，RS485芯片的工作电压一般是5V，能够承受的极限电压一般是12V。通常设备的工作电压一般是12V或者24V，如果误将24V电源电压接到RS485A-B线上且没有过压保护，大概率RS485芯片会物理损坏。TVS管专门用于瞬间过压保护，无法应付长时间的过压，不到0.5STVS就会因过热烧毁，后级电路就会失去保护。

如果在TVS的前面增加自恢复PTC，且PTC的跳闸时间足够短，并且TVS的钳位电压Vc＜电路最高工作电压VCC，在TVS烧毁之前PTC跳闸，就可以实现后级电路的保护。

TVS管和自恢复PPTC配合使用时的计算思路过程如下所示：

(1) 保护实现的前提条件

当外加电压达到TVS的击穿电压时，TVS开始导通，阻抗变低，流过的电流不断增大。随着电流的不断增大，PPTC的阻抗不断增大，不断发热，最终PPTC变成断路失效，整个后级电路得以保护。所以要实现电路保护，需要2个前提：

TVS的功率足够大，大到可以坚持到PPTC断路；
PPTC的动作时间要足够小，小到要在TVS失效前动作。

(2) PPTC选型

用于过压保护时，PPTC的选型需要满足以下几个条件：

持续电流Ihold＞电路最大工作电流 Iwork；
最大动作时间Trip越短越好，如 SMD1812B020TF，当通过 PPTC 的电流为 8A 时，PPTC 的动作时间应不大于 0.02s；
最大过载电流Imax，工作温度范围内 PPTC不能超过的电流值，超过PPTC很大概率会永久性损坏；
最大工作电压Vmax，工作温度范围内PPTC不能超过的最大工作电压值，超过PPTC很大概率会永久性损坏。

(3) TVS选型

TVS的选型要求如下：

参照：上述1.2、TVS管选型小节；
计算TVS可承受最大的热量Qtvs=P*t=P/1000（规格书给出的一般是1000uS下的功率，除以1000是转换为单位S）。
计算所选的TVS实际的工作热量：

Qact=Vc*Itrip*Tptc（Vc：TVS的钳位电压；Itrip：PTC保险的跳闸电流；Tptc：跳闸电流下的跳闸时间。）

TVS的可承受热量实际选型Qtvs＞理论计算Qact；

电路设计举例

如下图所示，PTC和TVS配合用于RS485过压保护，设备的供电电压是24V，RS485芯片选用MAX488，正常工作电压5V，最高可承受12V，正常工作电流＜1mA，选择合适的PTC和TVS。

PTC和TVS配合用于RS485保护

(1) PTC选型

由于RS485的工作电流非常小，PTC电流选择最小的即可，关键参数是跳闸时间Trip，Trip越小越好，越小跳闸时间越短，对TVS的功率要求越低，封装越小，成本越低。经过选型，SMD1812B020TF电流和电压满足要求，跳闸时间Trip是最短的，为0.02S。

(2) TVS选型：

TVS电压选型

由于RS485的工作电压VCC为5V，极限电压为12V，因此TVS的工作电压Vrwm≥5V，钳位电压≤12V；可以预选SMBJ5.0A。Vrwm=5V，Vc=9.2V。

TVS的功率选型

a. 估算实际TVS需要承受的热量

假设TVS工作在最大钳位电压，流过的电流为保险管的跳闸电流：

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

b. 估算实际TVS的实际功率

由于厂家给出的TVS测试的功率都是在1us的脉冲宽度下测量的，因此需要将上述的估算的热量折算为1uS时对应的TVS的功率。

Ptvs＞Qact/1us=1.472J/1us=1472W

换算成峰值电流为：Ipp=P/Vc=1472W/9.2V=160A

因此，最终TVS选择Vc=9.2V，Ipp=163的SMCJ5.0A。

有的朋友认为上述的计算过程没有降额，实际上上述的计算过程基本都是按照极端的情况，忽略了PTC随着温度升高的电阻指数型增加，PTC上的电阻会分担很大一部分电压，到后期PTC濒临断路，TVS的承受压降几乎为零。因此不但不用降额，甚至TVS的功率可以选择乘以实际计算的0.5~0.8系数。

1.4、总结

TVS用于过压保护存在两个局限性：小信号和低速。

(1) 小信号问题

小信号比较好理解，我们电路用的是正常电流0.2A的PTC，但是选用的是160A的TVS，比例接近800倍，不可想象，如果用一个2A的PTC电源端口，TVS的功率需要超过15KW，售价接近10元，这个成本几乎是没人能接受的。

由于PTC是自恢复，故障去除后又可以正常工作，避免了频繁更换的烦恼，但是PTC的跳闸时间较长，同等是0.2A的玻封保险管，电路达到8A的时候，几乎是10ms以内就可以跳闸，而PTC最短是200ms，这就导致了TVS的功率必须选得更大，以坚持到PTC跳闸（PTC要比TVS先失效才能起保护作用）。

(2) 低速的问题

一般的TVS的结电容为几十pF到数百pF，同功率等级，TVS电压越低，结电容越大，在小信号端口使用的功率TVS，除非是低电容的TVS，常规的功率TVS结电容都会在几十pF，因此小信号的速率不能过高，最好不要超过1Mbps。

(3) 精确度问题

上文提到的计算过程基本都是估算的，这是因为TVS和PTC属于电压和电流敏感型器件，失效模式都是热失效，细心的朋友会发现，厂家的TVS手册提供的电压、电流、温度等关系，都是给出一个大概的曲线图，都没有给出精确的计算公式。

本文计算时虽然使用了精确的公式，但是都是极端情况下的，实际选用的TVS可以比计算值乘以系数0.5~0.8问题都不大，具体以实物测试为准。例如上例计算选择160A的TVS，实测使用100A的也能满足要求。

2、可靠高效电路

简单的过压保护电路一般加个TVS可以实现，当外部有瞬间高能量冲击时候它能够把这股能量抑制下来，虽然功率高，上千W都可以，但是维持抑制的时间很短很短，万一器件损坏或者长时间工作电压高于正常工作电压的时候，就力不从心了。

所以最好的办法是设计一个智能电路了，如下所示：

Vin正常输入电压时，稳压管没有反向击穿，R3，R4电流基本为0。PNP三极管的Vbe=0，即PNP三极管不导通。PMOS管Q4的Vgs由电阻R5，R6分压决定，PMOS管导通，即电源正常工作。

当Vin输入大于正常输入电压，此时Vin>Vbr，稳压管被击穿，其上电压为Vbr。PNP三极管Q1导通，VCE≈0，即PMOS管的Vgs≈0，PMOS管不导通，电路断路，即实现了过压保护。

若精度要求高，当然也可选用电压检测IC，实现电压监测。

参考资料：

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