電路保護(hù)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品和方法

由于當(dāng)今技術(shù)相對(duì)不可預(yù)測(cè)，因此在需要可靠的設(shè)計(jì)中，電路保護(hù)是絕對(duì)必須的。本文將著眼于整個(gè)電路保護(hù)，以及如何減輕不同類型的損壞。

電路保護(hù)：對(duì)于設(shè)備和組件至關(guān)重要

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們經(jīng)常喜歡認(rèn)為世界為我們提供了理想的設(shè)置，其中我們的電源是無(wú)噪聲的，電容器沒(méi)有電阻，并且邏輯電平會(huì)瞬時(shí)上升和下降。但是，現(xiàn)實(shí)世界遠(yuǎn)非理想。電源可能非常嘈雜(尤其是DC/ DC轉(zhuǎn)換器)，電容器通常具有等效的串聯(lián)電阻，并且邏輯電平通常伴隨各種時(shí)序問(wèn)題。

即使我們考慮了這些對(duì)組件和設(shè)備的現(xiàn)實(shí)影響，許多設(shè)計(jì)人員通常還是會(huì)忘記解決一個(gè)領(lǐng)域-電路保護(hù)。建立在面包板上或原型PCB上的電路在實(shí)驗(yàn)室條件下可能會(huì)很好地工作，但是現(xiàn)實(shí)世界不一定能提供理想的條件，并且處理過(guò)靜電敏感組件的任何人都知道確切的去向。浪涌產(chǎn)生的電壓尖峰會(huì)損壞穩(wěn)壓器，而用戶的靜電沖擊可能會(huì)殺死微控制器，恕不另行通知。由于設(shè)計(jì)人員永遠(yuǎn)不能太確定自己的電路會(huì)遇到什么情況，因此，最好的做法是保護(hù)電路免受盡可能多的不同損壞源的傷害。

電路損壞的典型來(lái)源

雖然有很多潛在的損壞源，但主要的損壞源包括靜電放電，電感器反激和電源浪涌。

靜電放電是靜電放電。它是迄今為止基于CMOS的設(shè)備的最大殺手之一。靜電放電可能來(lái)自多種不同的來(lái)源，但是人類是最常見的來(lái)源之一。人類有一種用材料覆蓋身體并將橡膠附著在腳底上的習(xí)慣。結(jié)果是，當(dāng)它們四處移動(dòng)時(shí)，材料和橡膠可能會(huì)摩擦皮膚和其他表面。這反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生靜電。當(dāng)帶靜電的人員觸摸電子電路時(shí)，存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，即電荷可能會(huì)從人員轉(zhuǎn)移到電路上，從而使電路承受數(shù)千伏的電壓。雖然傳輸?shù)诫娐返哪芰亢苄。?a target="_blank">高壓很容易導(dǎo)致基于MOS的技術(shù)(例如晶體管，調(diào)節(jié)器，微控制器等)。其他基于勢(shì)壘和結(jié)的技術(shù)(例如BJT和FET)受靜電沖擊的影響較小，但仍然存在可能被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

電感反激是在流經(jīng)電感元件(例如線圈或扼流圈)的電流突然變化時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。發(fā)生這種情況時(shí)，需要釋放存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中的能量。磁場(chǎng)的崩潰導(dǎo)致感應(yīng)出電壓(但極性與感應(yīng)器的電壓源相反)。該感應(yīng)電壓稱為“反電動(dòng)勢(shì)”，對(duì)于敏感電路(例如基于硅的電路)非常危險(xiǎn)。即使是很小的電感器，反電動(dòng)勢(shì)也可能高達(dá)數(shù)百伏。反電動(dòng)勢(shì)的常見來(lái)源包括扼流圈，電動(dòng)機(jī)和變壓器。

市電(也稱為電網(wǎng)電源電涌)來(lái)自多種來(lái)源，包括電站故障，變電站故障和雷電。市電浪涌是將大的電壓尖峰注入電網(wǎng)的地方。這種突然的峰值可能會(huì)影響幾乎所有連接到電網(wǎng)的設(shè)備。影響電網(wǎng)的電壓尖峰的經(jīng)典示例是雷暴期間的停電。閃電會(huì)擊中塔架，從而在整個(gè)電網(wǎng)中引起電涌。變電站可能會(huì)因電涌而損壞，從而切斷其提供的電源，也可能會(huì)檢測(cè)到電涌，然后有意切斷電源以防止對(duì)用戶造成損害。電源重新連接也會(huì)引起電涌，在該電源重新連接的地方，突然沒(méi)有電源的區(qū)域重新連接到電網(wǎng)。

電路保護(hù)方法

因此，我們可以看到存在許多不同的潛在損壞源，但是如何保護(hù)電路免受此類損壞呢?

齊納二極管/串聯(lián)限制電阻

齊納二極管具有鉗位電壓的能力，是最常用的電路保護(hù)器件之一。如果在正向偏置模式下使用，它們將像任何其他硅二極管一樣將電壓鉗位到0.6V左右。但是，與硅二極管不同，在反向偏置模式下使用時(shí)，它們會(huì)將電壓鉗位到特定值。

例如，一個(gè)5V1齊納二極管將反向偏置模式下的電壓鉗位到5.1V，這樣，如果二極管兩端的電壓超過(guò)5.1V，電壓就不會(huì)更高。這些二極管通常與串聯(lián)限流電阻器配合使用，以使流過(guò)齊納管的電流不會(huì)超過(guò)其極限。串聯(lián)限流電阻器還可以保護(hù)電路免受電流尖峰的影響。但應(yīng)注意，串聯(lián)限流電阻會(huì)影響電路的速度性能，并且更適用于高阻抗輸入。

扼流圈：電感

扼流圈是一對(duì)特殊的電感器，可以抵抗電流的突然變化。例如，來(lái)自電網(wǎng)的電壓尖峰可以進(jìn)入敏感電路的電源輸入中。如果將一個(gè)扼流圈與電源輸入串聯(lián)，則電壓尖峰(這也會(huì)導(dǎo)致電流尖峰I與電壓V成正比)降低，電路的其余部分較少受到電涌的影響。

去耦電容器

電壓和電流尖峰并不是電路可能面臨的唯一危險(xiǎn)。潛在損壞的另一個(gè)來(lái)源是電源不足，這是指電源突然中斷，可能會(huì)持續(xù)數(shù)百毫秒。盡管對(duì)于簡(jiǎn)單的設(shè)備(例如風(fēng)扇和照明設(shè)備)而言，這并不是特別的問(wèn)題，但對(duì)于依賴于數(shù)字邏輯的設(shè)備(例如計(jì)算機(jī)，筆記本電腦和安全系統(tǒng))卻可能是非常有害的。

雖然持續(xù)超過(guò)半秒的大型電源不足非常困難(通常需要輔助備用電源)，但是可以通過(guò)使用以下命令解決由開機(jī)(例如無(wú)線電模塊)引起的短暫電源不足去耦電容器。一個(gè)去耦電容無(wú)非是一個(gè)大容量電容器，該電容器在正常工作狀態(tài)下仍保持充電狀態(tài)，但可以在電源不足時(shí)將其能量抽回到電路中，以維持電源電壓。通常將此類電容器放置在功率處理電路(如微控制器的線性穩(wěn)壓器)之前。這樣可確保正確維持微控制器的電壓(請(qǐng)記住，許多穩(wěn)壓器可以接受較寬的輸入電壓范圍，但許多微控制器無(wú)法處理較大的電壓偏差)。去耦電容器的其他用途包括防止其他開關(guān)設(shè)備(包括DC/ DC轉(zhuǎn)換器，處理器，傳感器，無(wú)線電模塊和高速數(shù)字電路)注入電源的噪聲的電路保護(hù)。

保險(xiǎn)絲

許多電路保護(hù)技術(shù)通常與外部影響有關(guān)，但有時(shí)需要保護(hù)電路免受自身影響。自我保護(hù)的一個(gè)經(jīng)典例子是使用保險(xiǎn)絲的短路保護(hù)。盡管并非所有電路都存在此問(wèn)題，但某些設(shè)計(jì)可能包含在故障情況下可能汲取大量電流的電路。

例如，推挽放大器可以具有連接到外部設(shè)備的能力，但是也可以依賴于具有最小阻抗量的設(shè)備。在這種情況下，推挽很容易短路。而且，盡管放大器可能能夠處理電流，但電路中的其他組件可能無(wú)法處理電流。在這種情況下，保險(xiǎn)絲可與電源，輸入和輸出串聯(lián)使用，以確保電路不會(huì)消耗危險(xiǎn)的電流。存在許多保險(xiǎn)絲類型，其中電線保險(xiǎn)絲可用于市電供電的設(shè)備，而小型可復(fù)位保險(xiǎn)絲更適合于Arduino等數(shù)字電路。

保護(hù)二極管

保護(hù)二極管在設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，在這種設(shè)計(jì)中，電感可能會(huì)從線圈和電機(jī)等組件中飛回。雖然電動(dòng)機(jī)和線圈本身沒(méi)有受到損壞的危險(xiǎn)，但是當(dāng)這些組件將其反電動(dòng)勢(shì)注入到包含敏感電路(例如微控制器，晶體管和傳感器)的電路中時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。去除反電動(dòng)勢(shì)是一項(xiàng)非常容易的任務(wù)，僅需要與預(yù)期會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的器件并聯(lián)放置一個(gè)二極管即可。重要的是要注意，這僅適用于DC設(shè)置，因?yàn)槎O管與電感元件并聯(lián)放置，但與電感元件的電源反向偏置。當(dāng)關(guān)閉電感元件的電源時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)通過(guò)二極管，并遠(yuǎn)離電路中的其他組件。

電路保護(hù)產(chǎn)品

雖然分立組件可用于電路保護(hù)，但市場(chǎng)上也有一些特定組件包含專門用于此任務(wù)的專用電路。讓我們回顧一些可用于電路保護(hù)的組件示例。

二極管矩陣封裝

二極管矩陣封裝將多個(gè)二極管合并到一個(gè)封裝中，可用于多種用途。它們比較流行的用途之一是保護(hù)USB連接器(例如D+和D-)的引腳免受外部靜電的影響。二極管矩陣封裝的示例包括：雷卯電子的ESDA0504T5，它包含四個(gè)具有公共連接的齊納二極管;雷卯電子的USRV05-4，它包含七個(gè)二極管，專門用于保護(hù)USB端口以及提供低電容通道。

瞬態(tài)電壓抑制二極管

這些二極管類型專門針對(duì)較大的電壓擺幅，可用于保護(hù)單個(gè)電路連接以及用作反電動(dòng)勢(shì)保護(hù)。抑制二極管的一個(gè)例子是LEIDITECH的SMAJ33A，它能夠耗散400W的峰值功率，具有快速的響應(yīng)時(shí)間，并且可以傳導(dǎo)多達(dá)40A的峰值電流。抑制二極管的另一個(gè)示例是LEIDITECH的5KP36A，其峰值脈沖功率消耗為5,000W，從而可以保護(hù)電路足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便主熔斷器/斷路器可以斷開電源。

自恢復(fù)保險(xiǎn)絲

自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是可以防止在短路條件下?lián)p壞電路的組件。但是，與典型的熔斷器不同，一旦熔斷，就需要更換。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲沒(méi)有。這些設(shè)備通常是PTC型，代表正溫度系數(shù)。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲依賴于其溫度隨著流過(guò)它們的電流的增加而升高。溫度升高會(huì)導(dǎo)致電阻失控，從而降低可流動(dòng)的電流。

商用PTC保險(xiǎn)絲的一個(gè)例子是LEIDITECH，SMD1812P050。這款SMD保險(xiǎn)絲可提供多種額定電壓和電流。PTC保險(xiǎn)絲的另一個(gè)示例是插件的HL60-300。這是一種通孔設(shè)備，通常針對(duì)功能更強(qiáng)大的設(shè)備，例如電源。

結(jié)論

盡管存在多種可能會(huì)影響電路的電氣損壞機(jī)制，但包括正確的電路保護(hù)組件和解決方案將有助于提高可靠性。因此，可以改善您正在設(shè)計(jì)的電子設(shè)備的整體性能。需要以下保護(hù)方案請(qǐng)聯(lián)系oo2850873585