電路保護(hù)是一種不費(fèi)吹灰之力的設(shè)計(jì)考慮因素：它是一種類似保險(xiǎn)的成本，當(dāng)事情進(jìn)展順利時(shí)很少受到重視;當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)預(yù)期甚至難以預(yù)料的事件提供全面保護(hù)。設(shè)計(jì)人員需要提供與應(yīng)用需求相匹配的電路保護(hù)，以防止任何可能對(duì)系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響甚至導(dǎo)致徹底失效的內(nèi)部和外部事件。根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可能需要在一個(gè)或多個(gè)或點(diǎn)（包括單個(gè)組件），內(nèi)部級(jí)之間的互連以及系統(tǒng)外部信號(hào)和電源接口上進(jìn)行保護(hù)。

有很多長(zhǎng)實(shí)施保護(hù)的經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn)的常規(guī)方法，以及針對(duì)某些特定的，日益普遍的保護(hù)情況而設(shè)計(jì)的新的創(chuàng)新方法和組件。工程師面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)是了解他們需要防范的內(nèi)容。其中的擔(dān)憂是：

過(guò)電壓（穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)）

過(guò)電流，要么剛剛超過(guò)適度的保護(hù)帶閾值，要么完全短路（再次，

極端溫度（通常過(guò)熱，但冷也可能是一個(gè)考慮因素）

反向電池連接（通常與汽車相關(guān)）

RFI/EMI引起的瞬變

這些保護(hù)問(wèn)題中的一些是由于內(nèi)部故障引起的，例如當(dāng)電源設(shè)備發(fā)生故障并發(fā)生短路時(shí);其他是由于外部事件造成的，例如電源輸出到地的意外短路或電源軌的元件端子;而其他是大規(guī)模外部問(wèn)題的結(jié)果，如閃電直接或附近的設(shè)備。此外，一些故障，例如短路電源的輸出，可能是穩(wěn)定狀態(tài)，而一些是瞬態(tài)事件，例如由EMI/RFI引起的故障（盡管它們引起的故障當(dāng)然可能是持久的）。 p》

在大多數(shù)情況下，保護(hù)每種產(chǎn)品免受所有可能的故障模式的影響既不實(shí)際也不必要。例如，不需要保護(hù)消費(fèi)級(jí)智能手機(jī)免受直接雷擊，同時(shí)需要對(duì)飛機(jī)電子設(shè)備這樣做。此外，“過(guò)量”的范圍可能非常寬：對(duì)于手持式電池供電設(shè)備，某些內(nèi)部電路上的過(guò)壓可能低于10 V，而對(duì)于電源則可能是幾十或幾百伏。

為滿足這些系統(tǒng)的多樣化需求，供應(yīng)商開(kāi)發(fā)了各種電路保護(hù)設(shè)備以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可充分利用這些設(shè)備。可用的保護(hù)器件包括：

基本半導(dǎo)體二極管，包括齊納二極管和肖特基二極管

有源“理想”二極管

基本熔斷鏈保險(xiǎn)絲

斷路器

壓敏電阻（也稱為MOV或金屬氧化物壓敏電阻） - “擊穿”并短路超過(guò)電壓閾值，然后自復(fù)位

正溫度系數(shù)器件（PTC）電阻在電流閾值以上急劇增加，然后自復(fù)位

瞬態(tài)電壓抑制器（TVS） - 動(dòng)作就像壓敏電阻，雖然電壓和速度不同

氣體放電管（GDT） - 作用就像壓敏電阻，雖然電壓和速度不同

在某些情況下，電路保護(hù)裝置的作用是保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，而在其他情況下，如果存在外部問(wèn)題，則“保存”特定的高價(jià)值元件（例如功率MOSFET或IGBT）免受損壞。

除了不同的評(píng)級(jí)和基本功能外，這些保護(hù)設(shè)備之間存在重大差異：

其中大多數(shù)是無(wú)源的（如二極管），但有些是具有高級(jí)功能的有源器件。

有些（如TVS設(shè)備）速度很快，可以在幾毫秒甚至幾微秒內(nèi)完成，而有些則動(dòng)作較慢，可能需要幾秒鐘的時(shí)間才能做出反應(yīng)（可熔連接保險(xiǎn)絲），這可能是可以接受的

一些只是一次性使用，必須在執(zhí)行保護(hù)功能后手動(dòng)更換或復(fù)位（與熔斷鏈路或斷路器熔斷），而許多是自動(dòng)復(fù)位（GDT）;趨勢(shì)是盡可能使用后者并且可以接受。

新設(shè)備補(bǔ)充，改進(jìn)現(xiàn)有解決方案。

長(zhǎng)期存在一對(duì)汽車相關(guān)情況，現(xiàn)在有越來(lái)越嚴(yán)重的后果：反向電池連接和負(fù)載突降。當(dāng)有人錯(cuò)誤地將加號(hào)（+）和減號(hào)（ - ）電纜連接到汽車中的電池時(shí)，可能會(huì)發(fā)生前者。幾十年前，當(dāng)汽車沒(méi)有電子設(shè)備，除了收音機(jī)，甚至儀表板都是機(jī)械式的，如果有的話，這種損壞將是微乎其微的。同樣的問(wèn)題適用于汽車關(guān)閉時(shí)發(fā)生的拋負(fù)載瞬變，電氣系統(tǒng)和電路中的任何儲(chǔ)存能量突然放電。

然而，這些事件中的任何一個(gè)都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。今天的汽車，包括復(fù)雜的電子產(chǎn)品，包括ADAS（先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)），包括備用攝像頭，導(dǎo)航，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）和防翻滾感應(yīng);高端娛樂(lè)系統(tǒng);全球定位系統(tǒng);無(wú)線連接;和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，包括以太網(wǎng)。反向連接的電池或負(fù)載突降很容易導(dǎo)致許多這些子系統(tǒng)發(fā)生重大，危險(xiǎn)和昂貴的故障，特別是因?yàn)槠囯姵乜梢暂p松地向負(fù)載提供數(shù)百安培。

傳統(tǒng)的反向電壓保護(hù)解決方案是使用無(wú)源半導(dǎo)體二極管來(lái)保護(hù)每個(gè)子系統(tǒng)或電路功能（圖1）。雖然這有效，但該方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。主要原因是二極管的正向壓降，介于0.3和0.8 V之間，具體取決于二極管類型。這帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題：在低壓系統(tǒng)中，例如汽車和標(biāo)稱12 V電池，即使很小的電壓損失也可能是可用軌道電位的很大一部分;此外，考慮到從電池汲取的高電流，下降轉(zhuǎn)換為功率損耗，低效率，甚至過(guò)度的熱耗散，這可能導(dǎo)致二極管發(fā)生故障。數(shù)學(xué)很簡(jiǎn)單：使用低壓0.3 V肖特基二極管，適度10 A負(fù)載的耗散為30 W.

圖1：防止反向電池和負(fù)載突降影響的傳統(tǒng)方法是在電源軌中使用串聯(lián)二極管，但這在電壓降和功耗方面存在嚴(yán)重缺陷。 （來(lái)源：德州儀器）

幸運(yùn)的是，具有智能拓?fù)涞挠性雌骷峁┝肆硪环N選擇。德州儀器公司最近推出的LM74610-Q1智能二極管控制器是一種雙端子器件，如二極管，帶有陽(yáng)極和陰極，帶有集成電荷泵，可為相關(guān)的NFET器件提供柵極驅(qū)動(dòng)。在正常工作條件下，晶體管導(dǎo)通，因此耗散非常低;此外，沒(méi)有靜態(tài)電流，因?yàn)闆](méi)有接地傳導(dǎo)路徑（圖2）。

圖2：德州儀器（TI）的LM74610-Q1智能二極管控制器采用快速，接近理想的二極管，無(wú)耗散，解決了電池/負(fù)載的反向問(wèn)題傾銷困境。它被放置在系統(tǒng)中的每個(gè)電路板上，該電路板具有可能受到不利影響的電源軌。 （來(lái)源：德州儀器）

LM74610-Q1在電壓反轉(zhuǎn)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間小于8微秒，對(duì)于防止拋負(fù)載瞬變非常重要，并且可以承受最高45 V的反向電壓，超過(guò)汽車所需的過(guò)電壓范圍。小巧的8引腳，3 mm×5 mm VSSOP-8封裝對(duì)車內(nèi)各種電路板的占位面積影響最小，這也是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

更短的瞬態(tài)也是一個(gè)問(wèn)題

這不僅僅是設(shè)計(jì)人員必須預(yù)見(jiàn)的電源軌問(wèn)題。由ESD（靜電放電），CDE（電纜放電事件）和EFT（電快速瞬變）引起的短時(shí)，高能過(guò)壓事件可能會(huì)破壞或損壞連接到高速數(shù)據(jù)和傳輸線的敏感組件，甚至在消費(fèi)類應(yīng)用中，例如USB接口。

為避免這些問(wèn)題，使用基本的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。 TVS器件不僅必須鉗制過(guò)壓事件，而且必須快速完成。它們還必須具有非常小的電容，因此它們不會(huì)使數(shù)據(jù)信號(hào)失真，從而延長(zhǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)的前沿/下降沿的壓擺時(shí)間，從而阻礙正常的高速性能。

例如， Semtech公司的RClamp?1521PQ系列最大電容僅為0.5 pF，因此可用于帶寬高達(dá)3 GHz的高速鏈路。每個(gè)器件由兩個(gè)串聯(lián)的反向連接二極管組成，由于其標(biāo)稱擊穿電壓為20 V（50°C），因此可以保護(hù)工作電壓高達(dá)15 V的單條數(shù)據(jù)線（圖3）。當(dāng)施加的電壓超過(guò)設(shè)計(jì)閾值時(shí)，其中一個(gè)二極管進(jìn)入反向擊穿模式并鉗位過(guò)高的電壓。這些易于使用的單功能組件符合IEC 61000-4-2第4級(jí)（±15 kV空氣，±8 kV接觸放電）的ESD抗擾度要求。

圖3：基本TVS的概念很簡(jiǎn)單：使用一對(duì)背對(duì)背二極管;當(dāng)任何一個(gè)的反向擊穿電壓超過(guò)正或負(fù)電壓時(shí)，相應(yīng)的二極管將進(jìn)入擊穿模式并鉗位過(guò)大的施加電壓。 （來(lái)源：Semtech公司）

這些器件采用單通道，雙引腳封裝，采用1.0×0.6×0.5 mm封裝，引腳間距為0.65 mm，占板面積最小;更大的多通道陣列版本也可用于數(shù)據(jù)線分組。這些TVS單元的響應(yīng)時(shí)間很快，正負(fù)瞬態(tài)事件的響應(yīng)時(shí)間為幾納秒（圖4）。

圖4：Semtech的RClamp?1521PQ系列中的TVS器件顯示對(duì)正負(fù)尖峰的納秒級(jí)響應(yīng)，在發(fā)生任何損壞之前鉗制有問(wèn)題的電壓。 （來(lái)源：Semtech Corp.）點(diǎn)擊此處查看完整尺寸的圖片。

低電壓受到關(guān)注，但更高的電壓會(huì)增加作用

在一個(gè)單位數(shù)字電壓的世界里操作得到了大部分注意，重要的是要注意數(shù)十伏的高壓設(shè)計(jì)仍然至關(guān)重要，特別是在涉及更高功率水平的情況下。由于這個(gè)原因和其他原因，MOV供應(yīng)商正在推出其低壓產(chǎn)品系列的更高電壓版本。

Littelfuse，Inc。最近擴(kuò)展了其LV UltraMOV?壓敏電阻系列，涵蓋14 VDC至56 VDC范圍（浪涌電流額定值高達(dá)8 kA，脈沖為8/20μs），可處理65°C的連續(xù)額定電壓VDC至125 VDC，額定浪涌電流額定值高達(dá)10 kA（脈沖為8/20μs）。

這些磁盤形設(shè)備（圖5）直徑為5，7，10，14和20 mm，適用于電信電源系統(tǒng)，無(wú)線基站，自動(dòng)化控制，音頻和視頻設(shè)備，安全系統(tǒng)以及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用。酚醛樹(shù)脂涂層選項(xiàng)支持高達(dá)125°C的較高工作溫度，而標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧涂層等級(jí)為85°C，但其他規(guī)格幾乎相同。

《 p》圖5：Littelfuse公司的盤形LV UltraMOV?壓敏電阻系列支持各種最大鉗位電壓（MOV直徑的函數(shù)）和電流。 （來(lái)源：Littelfuse，Inc。）

最大鉗位電壓是MOV直徑的函數(shù)，圖6顯示10 mm系列的電壓與峰值電流，其中曲線圖上的鉗位電壓表示通過(guò)后綴“XXP”的后兩位數(shù)（XX）。最大峰值浪涌電流最高可達(dá)10 kA，這可能是間接雷擊或系統(tǒng)切換引起的峰值。

圖6：對(duì)于10 mm系列，最大峰值電壓與峰值電流的關(guān)系顯示夾持電壓在11到40 V之間;請(qǐng)注意，電流可以達(dá)到kA范圍。 （來(lái)源：Littelfuse，Inc。）

結(jié)論

實(shí)施電路保護(hù)的經(jīng)常被低估的任務(wù)包括與電流，電壓和溫度相關(guān)的各種潛在條件，并且可能是內(nèi)部或外部事件的結(jié)果，并作為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)發(fā)生。為了提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，設(shè)計(jì)人員必須首先定義潛在問(wèn)題的類型和強(qiáng)度，然后選擇一個(gè)或多個(gè)電路保護(hù)組件和相關(guān)技術(shù)。

其中一些已經(jīng)在工程師“工具包”中使用多年，但也有新設(shè)備擴(kuò)展了舊設(shè)備的范圍，或者提供了新的和創(chuàng)新的有源解決方案和拓?fù)?。這些較新的設(shè)備在應(yīng)對(duì)當(dāng)今系統(tǒng)的挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著重要作用，這些系統(tǒng)在尺寸，功率，速度和成本方面的要求越來(lái)越廣泛。