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使用齊納二極管的過(guò)電壓保護(hù)電路

每個(gè)電路設(shè)計(jì)都在不同的電壓電平下運(yùn)行，數(shù)字電路最常見(jiàn)的電壓電平是 3.3V、5V 和 12V。但是每一種設(shè)計(jì)都是獨(dú)一無(wú)二的，而且一個(gè)電路具有多個(gè)工作電壓也是很常見(jiàn)的。例如，一個(gè)典型的計(jì)算機(jī) SMPS 系統(tǒng)可以在六個(gè)不同的電壓電平下運(yùn)行，即 ±3.3V、±5V 和 ±12V。不同的電壓電平將用于為不同類型的組件供電，在這些情況下，如果低功率組件使用高電壓供電，該組件將永久損壞。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)始終專注于在其設(shè)計(jì)中實(shí)施過(guò)壓保護(hù)電路，以防止過(guò)壓損壞。 任何元器件或電路都會(huì)有三種不同的電壓額定值，即最低工作電壓、推薦或標(biāo)準(zhǔn)工作電壓和最高工作電壓。任何高于最大工作電壓的值對(duì)于任何電路或組件都可能是致命的。一種非常常見(jiàn)且具有成本效益的解決方案是使用齊納二極管過(guò)壓保護(hù)電路。

齊納二極管 - 基礎(chǔ)知識(shí)

齊納二極管大多是保護(hù)電路免受過(guò)壓條件影響的首選。齊納二極管遵循與二極管相同的原理，即阻止電流反向流動(dòng)。但有一個(gè)限制，即齊納二極管僅在齊納二極管額定電壓指定的有限電壓下阻止電流反向流動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，一個(gè) 5.1V 的齊納二極管會(huì)阻止電流反向流動(dòng)，最高可達(dá) 5.1V。如果齊納二極管兩端的電壓超過(guò) 5.1V，則允許電流通過(guò)。齊納二極管的這一特點(diǎn)使其成為過(guò)壓保護(hù)的優(yōu)良元件。

如何保護(hù)電路免受過(guò)壓?

考慮下圖，我們需要微控制器的過(guò)電壓保護(hù)。微控制器可以是任何在 IO 引腳上具有最大 5V 額定值的東西。因此，超過(guò) 5V 可能會(huì)損壞微控制器。

上述電路中使用的齊納二極管為5.1V穩(wěn)壓二極管。它會(huì)在過(guò)壓情況下正常工作。如果電壓大于 5.1V，齊納二極管將通過(guò)電流并控制電壓高達(dá) 5.1V。但低于 5.1V，齊納二極管將像普通二極管一樣工作并阻斷 下圖是spice 上齊納二極管 保護(hù)電路的仿真。您可以查看本頁(yè)底部的視頻，了解完整的模擬說(shuō)明。

上面的原理圖有一個(gè)輸入電壓，它是 V1。R1 和 D2 是保護(hù)輸出免受過(guò)壓保護(hù)的兩個(gè)組件。在這種情況下，D2、1N4099 是一個(gè) 6.8V齊納二極管。如果 V1 超過(guò) 6.8V，輸出將受到保護(hù)。由于 1N4099 的 6.8V 參考電壓，輸出將保持最大 6.8V。 讓我們看看上述電路如何充當(dāng)齊納二極管輸入保護(hù)電路并保護(hù)輸出免受超過(guò) 6.8V 的電壓影響。

上面的電路是使用cadence pspice模擬的。在 V1 上的 6V 輸入電壓期間，輸出保持恒定在 5.999V(即 6.0V)。

在上述仿真中，輸入電壓為 6.8V。因此，輸出為 6.785V，接近 6.8V。讓我們進(jìn)一步增加輸入電壓并產(chǎn)生過(guò)壓情況。

現(xiàn)在，輸入電壓為 7.5V，高于 6.8V。現(xiàn)在輸出仍然是 6.883V。這就是齊納二極管如何有效地將連接的電路從過(guò)壓情況中拯救出來(lái)，而且當(dāng)電壓回到低于 6.8V 時(shí)，電路將再次正常工作，如上一步所示。這意味著，與保險(xiǎn)絲不同，齊納二極管即使在過(guò)壓情況下也不會(huì)損壞。 在上述電路中，可以使用3.3V、5.1V、9.1V、10.2V等不同值的任何其他齊納二極管來(lái)選擇不同的過(guò)壓裕度。

如何選擇用于過(guò)壓保護(hù)的齊納二極管?

下一個(gè)重要部分是選擇齊納二極管值。以下幾點(diǎn)將幫助您為齊納二極管選擇正確的值和零件號(hào)。 1.首先，選擇齊納二極管的電壓。這是齊納二極管將充當(dāng)閉合電路并保護(hù)負(fù)載免受過(guò)壓影響的電壓值。對(duì)于 Pspice 中的上述示例，齊納電壓為 6.8V。 在某些情況下，目標(biāo)齊納二極管電壓不可用。在這種情況下，可以選擇接近值的齊納二極管。例如，對(duì)于高達(dá) 7V 的過(guò)壓保護(hù)，6.8V 齊納二極管是一個(gè)接近值。 2. 計(jì)算連接在過(guò)壓保護(hù)電路兩端的負(fù)載電流。對(duì)于我們上面討論的示例，它是 50mA。除了負(fù)載電流，齊納二極管還需要偏置電流。因此，總電流應(yīng)等于負(fù)載電流加上齊納二極管偏置電流。對(duì)于上面討論的例子，它可以是

總電流 = 50mA + 10mA = 60mA 3. 齊納二極管具有額定功率。因此，適當(dāng)?shù)纳嵝枰m當(dāng)?shù)念~定功率齊納二極管。額定功率可以根據(jù)步驟 - 2 中計(jì)算的總電流(60mA)計(jì)算得出。因此，齊納二極管的額定功率等于齊納二極管的電壓，與流過(guò)二極管的總電流有關(guān)。 對(duì)于我們上面的例子，額定功率 = 6.8V x 0.060 = 0.408 瓦。 因此，一個(gè) 500mW 的齊納二極管就足夠了。 4.通過(guò)微分源電壓和一般電壓來(lái)計(jì)算電阻值。源電壓將是可以施加到電路的最大值。例如，可能發(fā)生或可以作為電源電壓施加的最大過(guò)電壓可以是 13V。 因此，電阻兩端的電壓降將為 = 13V-6.8V = 6.2V 根據(jù)歐姆定律，電阻值將為 = 6.2V / 0.060 A = 103R 可選擇標(biāo)準(zhǔn)值 100R 電阻。

齊納過(guò)壓保護(hù)電路——優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

使用齊納二極管的 OVP 保護(hù)是保護(hù)設(shè)備免受過(guò)壓影響的最簡(jiǎn)單的過(guò)程。在這種技術(shù)中，電壓保持穩(wěn)定，與其他方法相比，該電路的成本非常低。 但是，當(dāng)然，這種類型的電路有缺點(diǎn)。這種電路的主要缺點(diǎn)是功耗。由于連接了串聯(lián)電阻，它總是散發(fā)熱量并導(dǎo)致能量浪費(fèi)。?

?　　是一個(gè)正負(fù)強(qiáng)烈震蕩的強(qiáng)干擾信號(hào)。其中正向干擾達(dá)到了35V，負(fù)向干擾達(dá)到了-15V!太恐怖了!持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)700ns!難怪連國(guó)外老牌MCU，都抗不住!大多數(shù)國(guó)產(chǎn)MCU，也是一擊即死機(jī)!

審核編輯：湯梓紅