首页 » 科学 » 硬件设计之一——电源设计01:电源防护_电压_电路

硬件设计之一——电源设计01:电源防护_电压_电路

神尊大人 2025-01-07 10:16:05 0

扫一扫用手机浏览

文章目录 [+]

这些电源输入的防护电路紧张包括过压保护,过流保护,防反接,储能/滤波电路等。

下面是两个车载产品中的示例,

硬件设计之一——电源设计01:电源防护_电压_电路 硬件设计之一——电源设计01:电源防护_电压_电路 科学

示例1:12V电源进来后分别是LC滤波(防护电压颠簸),保险丝过流保护,TVS(高电压脉冲)防护,共模电感滤波(针对车载电源共模滋扰);防反接保护在负极上;

硬件设计之一——电源设计01:电源防护_电压_电路 硬件设计之一——电源设计01:电源防护_电压_电路 科学
(图片来自网络侵删)

示例2:12V电源进来后分别是LC滤波(防护电压颠簸)/共模电感滤波(针对车载电源共模滋扰),防反接保护,TVS(高电压脉冲)防护;这里没有保险丝过流保护,是由于这款产品利用了外置保险丝;

下面分部先容。

TVS(高电压脉冲)防护

 在DCinput的时候,有时由于供电环境的变革会带来一些瞬时脉冲。
而要肃清瞬时脉冲对器件危害的最好办法,便是将瞬时电流从敏感器件引到地,一样平常详细做法是将TVS管在线路板上与被保护线路并联。
这样,当瞬时电压超过电路正常事情电压后,TVS管将发生雪崩击穿,从而供应给瞬时电流一个超低阻抗的通路,其结果是瞬时电流利过TVS管被短路到GND,从而避开被保护器件,并且在电压规复正常值之前使被保护回路一贯保持截止电压。
而当瞬时脉冲结束往后,TVS管再自动规复至高阻状态,全体回路又回到正常电压状态。

这种防护只能应对由于供电环境的变革会带来一些瞬时脉冲,如果是电压输入不稳定,或者有永劫光超过规定电压的情形,那么要用其他方法搭建限压电路,高于或低于规定的电压就进行截断电源的操作,干系知识可自行搜索。

TVS(Transient Voltage Suppressor)二极管,又称为瞬态抑制二极管,是普遍利用的一种新型高效电路保护器件,它具有极快的相应韶光(亚纳秒级)和相称高的浪涌接管能力。
当它的两端经受瞬间的高能量冲击时,TVS能以极高的速率把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,以接管一个瞬间大电流,把它的两端电压箝制在一个预定的数值上,从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。
紧张用在具有静电和电压尖峰的电路中起保护浸染。

TVS事情过程

上图是TVS的事情图形,首先阐明几个TVS干系的参数:

1、VRWM(最大反向事情电压):在这个电压下,TVS的功耗很小,利用时要使被保护电路的事情电压低于此值,以便TVS接入电路后不影响电路事情。

2、VBR(反向击穿电压):这是TVS管通过电流IR时的电压,这是TVS管导通的标志电压,从此点开始TVS进入雪崩击穿。

3、VCL(最大钳位电压):指当TVS流过IPP电流时的电压,是TVS管将电压尖峰胁迫到的电位值。
比如来了1000V、2000V的电压尖峰,都会被TVS胁迫到VCL电平。
VCL要小于被保护电路的最大耐压值,比如被保护芯片耐压30V,那么就要选VCL小于30V的TVS。

4、IPP(最大反向脉冲峰值电流):是TVS许可通过的最大脉冲峰值电流,超过此值,TVS可能破坏。

5、TVS管分为单极性和双极性,若TVS管有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压(浪涌电压)冲击时,应该选用双极性的,否则选用单极性。

6、CJ(结电容):电容量C是由TVS雪崩结截面决定的,这是在特定的1MHz频率下测得的。
C的大小与TVS管的电流承受能力成正比,C太大将使旗子暗记衰减。
因此,C是数据接口电路选用TVS管的主要参数。
对付旗子暗记频率越高的回路,TVS的电容对电路的滋扰越大,形成噪声或衰减旗子暗记强度也大。
高频回路一样平常选择电容应只管即便小(如LCTVS、低电容TVS,电容不大于3 pF),而对电容哀求不高的回路,电容的容量选择可高于40 pF。

选型

1、首先确定电路是否存在两个方向的电压尖峰,如果有就选双极性TVS,如果没有就选单极性TVS。

2、确定电路的正常事情电压、最大耐压值,凭此来确定TVS的VRWM、VCL。

3、大概评估电压尖峰的频率、幅值,从而确定TVS的功率,从而确定其封装。

比如一个DCDC电路,正常事情电压24V,电源芯片耐压值为40V,电压尖峰能量并不大。
那么TVS就要选单极性,VRWM大于24V,VCL小于40V的TVS,电压尖峰能量不是很大,封装可以选SOD123的。

选择上图中的SMF24A是比较得当。

防反接保护

二级管型防反接保护电路

1、常日情形下直流电源输入防反接保护电路是利用二极管的单引导电性来实现防反接保护。
如下图1示:

这种接法大略可靠,但当输入大电流的情形下功耗影响是非常大的。
以输入电流额定值达到2A,如选用Onsemi的快速规复二极管 MUR3020PT,额定管压降为0.7V,那么功耗至少也要达到:Pd=2A×0.7V=1.4W,这样效率低,发热量大,要加散热器。

2、其余还可以用二极管桥对输入做整流,这样电路就永久有精确的极性(图2)。
这些方案的缺陷是,二极管上的压降会花费能量。
输入电流为2A时,图1中的电路功耗为1.4W,图2中电路的功耗为2.8W。

图一

图1中,一只串联二极管保护系统不受反向极性影响,二极管有0.7V的压降,

图二 桥式整流器

图2 是一个桥式整流器,不论什么极性都可以正常事情,但是有两个二极管导通,功耗是图1的两倍。

MOS管型防反接保护电路

N沟道MOS管通过S管脚和D管脚串接于GND通路上,电阻R1、R2为MOS管供应电压偏置,利用MOS管的开关特性掌握电路的导通和断开,从而防止电源反接给负载带来破坏。
正接时候,R2供应VGS电压,MOS饱和导通。
反接的时候MOS不能导通,以是起到防反接浸染。
功率MOS管的Rds(on)只有20mΩ实际损耗很小,2A的电流,功耗为(2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散热片。
办理了现有采取二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题

P沟道MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间,电阻R1、R2为MOS管供应电压偏置,利用MOS管的开关特性掌握电路的导通和断开,从而防止电源反接给负载带来破坏。
正接时候,R1供应VGS电压,MOS饱和导通。
反接的时候MOS不能导通,以是起到防反接浸染。
功率MOS管的Rds(on)只有20mΩ实际损耗很小,2A的电流,功耗为(2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散热片。
办理了现有采取二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题

VZ1为稳压管防止栅源电压过高击穿mos管。
NMOS管的导通电阻比PMOS的小,最好选NMOS。

NMOS管接在电源的负极,栅极高电平导通。

PMOS管接在电源的正极,栅极低电平导通。

R1和R2构成一个分压电路,给MOS管的栅极供应一个得当的电压让它可以导通,而VZ1则是保护MOS管的栅极不要超过它的门槛电压。
而C1和R3可以理解为对电路的保护浸染吧,电路未事情时,此刻可以通过C1和R3这两个器件构成电路中的互换旗子暗记滤除浸染,也可以开释后脸庞性负载或者感性负载的能量开释。

过电流保护

多电流保护电路有很多种,最长利用的是保险丝。

保险丝限流保护

保险丝限流保护广泛运用于开关电源等电路当中,保险丝有自规复和不可规复的,PTC就属于可规复的一种,保险丝的事情事理是电流发生非常时候,当功率升高到一定的强度时候,电流导致温度过热保险丝熔断,输入电路断开。

其他还有多种方法,感兴趣的话可以自行搜索。

共模电感

采取共模电感滤波常日针对存在共模滋扰的车载电路等环境,大略进行如下先容。

  实际上,在电源中差模滋扰和共模滋扰每每同时存在,因此,电源滤波电路一样平常指将共如上图所示。
模和差模滤波结合起来,

  Le为共模扼流圈,由于LC的两个线圈绕向同等,当电源输人电流流过LC时,所产生的磁场可以相互抵消,不会引起磁芯的饱和,因此,它利用导磁率高的磁芯。
Le对共模噪声来说,相称于一个很大电感量的电感,故它能有效地抑制共模传导噪声。
负载输入端分别对地并接的电容Cy对共模噪声起旁路浸染。
共模扼流圈两端并联的电容CX对差模噪声起抑制浸染。
R为CX的放电电阻,它是VDE-0806和IEC-380安全技能条件标准所推举的。
图中各元件的参数范围:Cx=0.1~2pF;Cy=22~33nF;Le=几~几十mH,随事情电流不同而取不同的参数值。
如电流为25A时,Le=1,8mH;电流为0.3A;Le=47mH。
扼流圈一样平常用高磁导率棒状磁芯材料,对付肃清高频滋扰效果很好,但对付大事情电流之情形,扼流圈的体积比较弘大,用以避免磁饱和。

pi型滤波电路

π型滤波器包括两个电容器和一个电感器,它的输入和输出都呈低阻抗
π型滤波有RC和LC两种,

  在输出电流不大的情形下用RC,R的取值不能太大,一样平常几个至几十欧姆,其优点是本钱低。
其缺陷是电阻要花费一些能量,效果不如LC电路
滤波电容取大一点效果也不错。

 LC电路里有一个电感,根据输出电流大小和频率高低选择电感量的大小。
其缺陷是电感体历年夜,笨重,价格高。
现在一样平常的电子线路的电源都是RC滤波。
很少用LC滤波电路.

在SoC的电源输入端,常常采取磁珠+电容的pi型滤波电路(如下图),滤除电源上的高频噪声。

在仿照器件的电源输出端,常常采取RC的pi型滤波电路,滤除电源上的低频噪声。

标签:

相关文章