如何快速設計過壓保護電路

過壓保護電路的作用是：若開關電源內部穩壓環路出現故障或者由于用戶操作不當引起輸出電壓超過設計閾值時，為保護后級用電設備防止損壞，將輸出電壓限定在安全值范圍內。

本篇博文將從省錢省心的TVS管和可靠高效電路設計兩個方法介紹如何快速設計過壓保護電路。

1、省錢省心TVS管

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態電壓抑制器，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器件。

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1.1、TVS管特性

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

例如，單向TVS管應用于直流電路時，如下圖所示。當電路正常工作時，TVS 處于截止狀態（高阻態），不影響電路正常工作。當電路出現異常過電壓并達到TVS（雪崩）擊穿電壓時，TVS 迅速由高電阻狀態突變為低電阻狀態，泄放由異常過電壓導致的瞬時過電流到地，同時把異常過電壓鉗制在較低的水平，從而保護后級電路免遭異常過電壓的損壞。當異常過電壓消失后，TVS 阻值又恢復為高阻態。

TVS工作原理

選用TVS管有以下幾點重要參數：

選用TVS管關鍵指標

(1) Vrwm截止電壓

TVS 的最高工作電壓，可連續施加而不引起TVS劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在 Vrwm下，TVS 認為是不工作的，即是不導通的。電路設計時最高工作電壓必須小于Vrwm，否則將會導致TVS動作導致電路異常。

(2) IR漏電流

漏電流，也稱待機電流。在規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量，對于某一型號 TVS, IR 應在規定值范圍內。對 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 。對于同功率和同電壓的 TVS，在Vrwm≤10V 時，雙向TVS 漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。對于一些模擬端口，漏電流會影響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，在規定的脈沖直流電流It或接近發生雪崩的電流條件下測得 TVS 兩端的電壓。測試的電流It一般選取10mA左右，施加的電流的時間不應超過400ms，以免損壞器件，VBR MIN 和 VBR MAX 是 TVS 擊穿電壓的一個偏差，一般 TVS 為±5%的偏差。測量時，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，施加規定波形的峰值脈沖電流 I PP 時，TVS 兩端測得的峰值電壓。IPP及VC是衡量 TVS 在電路保護中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數，這兩個參數是相互聯系的。對于 TVS 在防雷保護電路中的鉗位特性，可以參考VC這個參數。對于相同型號TVS，IPP越大，耐脈沖電流沖擊能力越強，若在IPP相同下的VC越小，說明TVS的鉗位特性越好。

(5) 結電容Cj

結電容是TVS中的寄生電容，在高速IO端口保護需要重點關注，過大的結電容可能會影響信號的質量。

1.2、TVS管選型

選用TVS管，有三個要點需要注意：

電壓合適能保護后級電路；

引入的TVS的結電容不能影響電路；

TVS功率余量充足，滿足測試標準，且不能比保險管先掛。

選型的過程可以按照以下的思路步驟進行：

選擇TVS最高工作電壓Vrmw；

選擇TVS鉗位電壓VC；

選擇TVS的功率；

評估漏電流Ir的影響；

評估結電容的影響。

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應該是不工作的，即處于截止狀態，所以 TVS 的截止電壓應大于被保護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，鉗位電壓也會較高，所以在選擇 Vrwm 時，要綜合考慮被保護電路的工作電壓及后級電路的承受能力。要求Vrwm要大于工作電壓，否則工作電壓大于Vrwm會導致TVS反向漏電流增大，接近導通，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 鉗位電壓應小于后級被保護電路最大可承受的瞬態安全電壓，VC與TVS的雪崩擊穿電壓及IPP都成正比。對于同一功率等級的 TVS，其擊穿電壓越高VC也越高，所選TVS的最大箝位電壓VC不能大于被防護電路可以承受的最大電壓。否則，當TVS鉗在VC時會對電路造成損壞。

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產品的額定瞬態功率應大于電路中可能出現的最大瞬態浪涌功率，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，但是功率越高，TVS的封裝越大，價錢也越高，所以，TVS的功率滿足要求即可。對于不同功率等級的 TVS，相同電壓規格的 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。對于某一電路 ，有對應的測試要求，設實際電路中的最大測試電流為 Iactual ，則 Iactual 可估算為：

Iactual=Uactual/Ri（Uactual為測試電壓，Ri為測試內阻）

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

(4) 根據所選的TVS的結電容和漏電流評估影響

若TVS 用在高速IO端口防護、模擬信號采樣、低功耗設備場合，就需要考慮結電容和漏電流的影響，兩則的參數越小越好。

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，后級電路可承受的最高瞬態電壓為50V，實驗的測試波形為 8/20μs波形，測試電壓500V，測試電源內阻及PPTC的靜態電阻合計為2Ω。根據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) 計算實際測試波形功率：

Pact=50*（500/3）*1/2=4166W

根據計算結果，可以選用5.0SMDJ26A這個TVS，由于這個TVS用在電源端口，結電容和漏電流可根據具體實際電路選用。

5.0SMDJ26A TVS關鍵參數

1.3、實際電路應用

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

TVS用于防止過壓保護的工作原理

如下圖所示是RS485的過壓保護電路，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，大概率RS485芯片會物理損壞。TVS管專門用于瞬間過壓保護，無法應付長時間的過壓，不到0.5STVS就會因過熱燒毀，后級電路就會失去保護。

如果在TVS的前面增加自恢復PTC，且PTC的跳閘時間足夠短，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，就可以實現后級電路的保護。?

TVS管和自恢復PPTC配合使用時的計算思路過程如下所示：

(1) 保護實現的前提條件

當外加電壓達到TVS的擊穿電壓時，TVS開始導通，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，不斷發熱，最終PPTC變成斷路失效，整個后級電路得以保護。所以要實現電路保護，需要2個前提：

TVS的功率足夠大，大到可以堅持到PPTC斷路；

PPTC的動作時間要足夠小，小到要在TVS失效前動作。

(2) PPTC選型

用于過壓保護時，PPTC的選型需要滿足以下幾個條件：

持續電流Ihold＞電路最大工作電流 Iwork；

最大動作時間Trip越短越好，如 SMD1812B020TF，當通過 PPTC 的電流為 8A 時，PPTC 的動作時間應不大于 0.02s；

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

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

(3) TVS選型

TVS的選型要求如下：

參照：上述1.2、TVS管選型小節；

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

計算所選的TVS實際的工作熱量：

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

TVS的可承受熱量實際選型Qtvs＞理論計算Qact；

電路設計舉例

如下圖所示，PTC和TVS配合用于RS485過壓保護，設備的供電電壓是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

(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，關鍵參數是跳閘時間Trip，Trip越小越好，越小跳閘時間越短，對TVS的功率要求越低，封裝越小，成本越低。經過選型，SMD1812B020TF電流和電壓滿足要求，跳閘時間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；可以預選SMBJ5.0A。Vrwm=5V，Vc=9.2V。

TVS的功率選型

a. 估算實際TVS需要承受的熱量

假設TVS工作在最大鉗位電壓，流過的電流為保險管的跳閘電流：

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

b. 估算實際TVS的實際功率

由于廠家給出的TVS測試的功率都是在1us的脈沖寬度下測量的，因此需要將上述的估算的熱量折算為1uS時對應的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。

有的朋友認為上述的計算過程沒有降額，實際上上述的計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型增加，PTC上的電阻會分擔很大一部分電壓，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際計算的0.5~0.8系數。

1.4、總結

TVS用于過壓保護存在兩個局限性：小信號和低速。

(1) 小信號問題

小信號比較好理解，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2A的PTC電源端口，TVS的功率需要超過15KW，售價接近10元，這個成本幾乎是沒人能接受的。

由于PTC是自恢復，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的跳閘時間較長，同等是0.2A的玻封保險管，電路達到8A的時候，幾乎是10ms以內就可以跳閘，而PTC最短是200ms，這就導致了TVS的功率必須選得更大，以堅持到PTC跳閘（PTC要比TVS先失效才能起保護作用）。

(2) 低速的問題

一般的TVS的結電容為幾十pF到數百pF，同功率等級，TVS電壓越低，結電容越大，在小信號端口使用的功率TVS，除非是低電容的TVS，常規的功率TVS結電容都會在幾十pF，因此小信號的速率不能過高，最好不要超過1Mbps。

(3) 精確度問題

上文提到的計算過程基本都是估算的，這是因為TVS和PTC屬于電壓和電流敏感型器件，失效模式都是熱失效，細心的朋友會發現，廠家的TVS手冊提供的電壓、電流、溫度等關系，都是給出一個大概的曲線圖，都沒有給出精確的計算公式。

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

2、可靠高效電路

簡單的過壓保護電路一般加個TVS可以實現，當外部有瞬間高能量沖擊時候它能夠把這股能量抑制下來，雖然功率高，上千W都可以，但是維持抑制的時間很短很短，萬一器件損壞或者長時間工作電壓高于正常工作電壓的時候，就力不從心了。

所以最好的辦法是設計一個智能電路了，如下所示：

Vin正常輸入電壓時，穩壓管沒有反向擊穿，R3，R4電流基本為0。PNP三極管的Vbe=0，即PNP三極管不導通。PMOS管Q4的Vgs由電阻R5，R6分壓決定，PMOS管導通，即電源正常工作。

當Vin輸入大于正常輸入電壓，此時Vin>Vbr，穩壓管被擊穿，其上電壓為Vbr。PNP三極管Q1導通，VCE≈0，即PMOS管的Vgs≈0，PMOS管不導通，電路斷路，即實現了過壓保護。

若精度要求高，當然也可選用電壓檢測IC，實現電壓監測。

審核編輯：黃飛

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