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保護(hù)電路的方法
保護(hù)電路的方法
過(guò)壓、過(guò)流和發(fā)熱是最有可能損壞我們昂貴的硅基組件或縮短產(chǎn)品預(yù)期壽命的三個(gè)事件。效果通常是立竿見(jiàn)影的，但在某些情況下，我們的產(chǎn)品可能會(huì)經(jīng)受數(shù)月的長(zhǎng)期過(guò)度壓力，然后才會(huì)放棄。如果沒(méi)有足夠的保護(hù)，我們的電路很容易受到損壞，那么我們?cè)撛趺崔k？或者我們需要做什么？
例如，如果額外的保護(hù)成本太高，我們可能會(huì)選擇承擔(dān)后果。無(wú)論哪種方式，作為設(shè)計(jì)師，我們都應(yīng)該采取一些行動(dòng)并以技術(shù)記錄的形式記錄我們的決定，以便將來(lái)可以看到并證明我們的選擇。理想情況下，我們首先列出威脅，即那些可能會(huì)發(fā)生的事情。在這里，從考慮客戶的不良處理做法（包括 ESD 效應(yīng)）到間接雷擊浪涌的影響，在我們的PCB上產(chǎn)生以千伏為單位的電位是值得盡可能徹底的。如果要考慮全貌，就需要涵蓋所有可信的威脅。
威脅
MIL-STD-883 ESD（靜電放電）事件
IEC 61000-4-2 ESD 事件
IEC 61000-4-5 間接雷擊浪涌（交流電源線和信號(hào)/數(shù)據(jù)線）
交流電浪涌——我們當(dāng)?shù)毓╇姷姆€(wěn)定性如何？
客戶濫用（肯定是一個(gè)棘手的領(lǐng)域）
溫度過(guò)高，包括意外和長(zhǎng)期的氣候條件
通常不會(huì)保護(hù) PCB組件的措施
值得一提的是，我們行業(yè)中使用的那些技術(shù)在保護(hù)我們的PCB或其組件方面并不是特別有用。我聽(tīng)工程師說(shuō)保險(xiǎn)絲可以為 MOSFET 或二極管提供過(guò)電流保護(hù)，但這是天真的，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能在中等過(guò)電流下熔斷，而且熔斷速度不夠快以防止快速上升的瞬變。
保險(xiǎn)絲（和斷路器）
我們?cè)诤芏嗟胤蕉寄芸吹剿鼈?，?dāng)然也看到它們安裝在印刷電路板上，但是它們給聚會(huì)帶來(lái)了什么，或者它們保護(hù)了什么？主保險(xiǎn)絲防止基礎(chǔ)設(shè)施損壞；它們將避免在墻內(nèi)引起接線火災(zāi)，并且如果某個(gè)組件（例如交流變壓器或 SMPS）發(fā)生短路故障，它們將防止我們的產(chǎn)品發(fā)生相應(yīng)的燃燒。它們是可接受的火災(zāi)保險(xiǎn)單，但不能依賴它們來(lái)保護(hù)PCB組件，除非在少數(shù)特定情況下。
這是一個(gè)獨(dú)特的例子。在危險(xiǎn)氣體或灰塵環(huán)境中使用的電子電路通常受到“齊納屏障”的保護(hù)，因?yàn)樗鼈儾捎谬R納二極管而得名。屏障將限制輸入氣體或粉塵區(qū)域內(nèi)“本質(zhì)安全”電路的電壓、電流和功率。然而，為了保護(hù)齊納二極管免受上游過(guò)功率情況的影響（如果發(fā)生故障），屏障依靠保險(xiǎn)絲在齊納二極管受損之前開(kāi)路。然而，總的來(lái)說(shuō)，不能依靠保險(xiǎn)絲來(lái)保護(hù)電子元件免受過(guò)電流浪涌的影響。例如，大多數(shù)集成電路 (IC) 或晶體管在保險(xiǎn)絲充分?jǐn)嚅_(kāi)電源之前很久就會(huì)因過(guò)流而失效。與大多數(shù)半導(dǎo)體相比，保險(xiǎn)絲的熱滯后太長(zhǎng)了。
也不能依賴斷路器來(lái)保護(hù)我們的PCB組件。就像保險(xiǎn)絲一樣，它們需要很長(zhǎng)時(shí)間才能做出反應(yīng)，而且損壞可以在幾毫秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)完成。
RCD、RCCB、GFCI 或 ELCB
這些設(shè)備測(cè)量（或推斷）不希望的接地電流的存在，并用于防止可能接觸設(shè)備的人和牲畜發(fā)生電擊風(fēng)險(xiǎn)。它們不一定為我們的 PCB或其組件提供任何保護(hù)。
確實(shí)保護(hù) PCB 組件的措施
這些設(shè)備和技術(shù)被認(rèn)為適用于保護(hù)我們PCB的電子元件免受過(guò)壓和過(guò)流事件的影響。
齊納二極管和 TVS 二極管
多年來(lái)，齊納二極管一直被用作電路保護(hù)措施。然而，為了處理高浪涌脈沖能量（例如來(lái)自 ESD 事件或間接閃電事件），TVS 二極管是首選解決方案，因?yàn)樗鼈兙哂懈蟮?span lang="EN-US"> PN 結(jié)表面積。這使它們能夠安全地傳導(dǎo)更高水平的電流。但這有一個(gè)缺點(diǎn)。與齊納二極管相比，TVS 二極管通常具有更高的終端電容，并且在某些應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致高頻信號(hào)的顯著劣化，而齊納二極管不會(huì)出現(xiàn)這種情況。幸運(yùn)的是，有很多可供選擇，并且有一些類型專為高頻保護(hù)而設(shè)計(jì)，但以較低的浪涌處理能力為代價(jià)。
齊納二極管的主要特點(diǎn)是它可以比 TVS 更精確地調(diào)節(jié)電壓，這就是它們被用于電壓調(diào)節(jié)器電路的原因。這正是齊納二極管設(shè)計(jì)用于的應(yīng)用，正是這種類型的應(yīng)用決定了它們的制造方式和發(fā)貨前的測(cè)試方式。因此，齊納二極管在發(fā)貨前沒(méi)有經(jīng)過(guò)浪涌測(cè)試。另一方面，TVS 二極管通常被選擇為不導(dǎo)電的（在我們的電路中保留），而齊納二極管被假定為導(dǎo)電和調(diào)節(jié)。因此，TVS 二極管在發(fā)貨前都經(jīng)過(guò)了浪涌測(cè)試。
兩者在過(guò)壓應(yīng)用中都很有效，但 TVS（與齊納二極管的封裝尺寸相同）可以處理更高的峰值浪涌能量。換言之，TVS 二極管專為 ESD 和浪涌事件而設(shè)計(jì)。最后，通?？梢砸揽?span lang="EN-US"> TVS 來(lái)使短路失效；因此，在死亡時(shí)，它仍然可以保護(hù)我們寶貴的電路（即使保險(xiǎn)絲熔斷），而不能依賴齊納二極管以這種方式發(fā)生故障；它可能會(huì)開(kāi)路失敗，因此，我們寶貴的電路不再受到下一個(gè)“事件”的保護(hù)。
金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)
與 TVS 二極管一樣，它們用于限制由高能量浪涌引起的極端電壓。但是，MOV 具有 TVS 二極管目前無(wú)法滿足的特定使用領(lǐng)域，即交流電源線。可以發(fā)現(xiàn) TVS 二極管具有高達(dá)約 500 伏峰值的隔離電壓。然而，它們的低電流處理能力（在這個(gè)電壓水平下小于 1 安培）使它們不適合在交流電源線上提供間接雷擊浪涌保護(hù)設(shè)備。
引人注目的是二極管，它們可以快速響應(yīng)，對(duì)于大多數(shù) MOV 而言通常在幾納秒內(nèi)，這對(duì)于上升時(shí)間為幾微秒的交流線路浪涌來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。然而，主要缺點(diǎn)之一是 MOV 每次處理浪涌時(shí)都會(huì)降低一點(diǎn)。它接收到的浪涌越強(qiáng)大，它就會(huì)越小，直到最終它會(huì)遭受熱失控（由于漏電阻增加）并使交流電源短路或開(kāi)始燃燒。這就是為什么在交流電源應(yīng)用中使用 MOV 時(shí)，還必須在保護(hù)電路中使用保險(xiǎn)絲。
Crowbar 保護(hù) - 氣體放電管 (GDT)
GDT 在某些應(yīng)用中很有用，因?yàn)樗鼈兛梢蕴幚泶罅坷擞侩娏?。他們之所以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)橐坏┧麄冏畛醍a(chǎn)生電弧，他們就會(huì)將電壓“撬開(kāi)”到一個(gè)低水平。因此，它們從具有高關(guān)斷電壓的器件轉(zhuǎn)變?yōu)殂Q位電壓低得多的器件。瓦特代表瓦特意味著它們可以處理更高的電流浪涌。主要的缺點(diǎn)是，除非有一種機(jī)制可以熄滅低壓電?。ɡ缃涣麟妷貉h(huán)通過(guò)零伏），否則它們將永遠(yuǎn)保持開(kāi)啟狀態(tài)。這就是為什么它們不適合直流電壓系統(tǒng)的原因，因?yàn)闆](méi)有自然的滅火機(jī)制。它們?cè)陔娦啪€路上大量使用，因?yàn)橐坏├擞康玫教幚?，普通電話線的電流不足以維持電弧。
另一個(gè)缺點(diǎn)是與 MOV 和 TVS 二極管相比，它們的速度相對(duì)較慢。出于這個(gè)原因，它們有時(shí)與 MOV 結(jié)合使用；MOV 處理最初的快速浪涌，大約一微秒后，GDT 接管以安全管理大部分浪涌能量。GDT 還會(huì)因重復(fù)使用而退化和短路失效；因此，當(dāng)應(yīng)用于交流電源應(yīng)用時(shí)，它們必須熔斷。
其他類型的撬棍保護(hù)
一種標(biāo)準(zhǔn)而直接的方法是使用晶閘管（或雙向可控硅）；一旦“檢測(cè)到”浪涌電壓，晶閘管就會(huì)激活并將電源電壓鉗位到低電平（與 GDT 非常相似）。通常，使用保險(xiǎn)絲使線路開(kāi)路。盡管如此，還有比使用限流電路（和定時(shí)器）更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，一旦浪涌“消失”，電路就會(huì)恢復(fù)“正常運(yùn)行”。后一種類型稱為自復(fù)位（或有源）撬棒電路。如果我們有一個(gè)由相對(duì)便宜的本地電壓調(diào)節(jié)器（可能無(wú)法短路）供電的昂貴且易受攻擊的電子電路，則撬棒可以提供可靠的二級(jí)保護(hù)。但是，它們不會(huì)持續(xù)快速運(yùn)行——它們可能需要長(zhǎng)達(dá)幾微秒的時(shí)間才能提供足夠的保護(hù)。
還有 TVS 晶閘管（可從通常的供應(yīng)商處獲得），其商品名為 Trisil、Sidactor 和 Thyzorb。這些主要用于保護(hù)以太網(wǎng)設(shè)備免受差分浪涌影響的高速數(shù)據(jù)應(yīng)用。它們具有低電容，可承受中等脈沖能量水平。然而，由于它們是一種撬棒器件，因此它們?cè)谳p微浪涌電流方面的性能優(yōu)于（尺寸大?。┬⌒?span lang="EN-US"> TVS 二極管。它們通常是雙向設(shè)備，這意味著它們?cè)谡龢O性和負(fù)極性浪涌下的工作方式相同。在這方面，它們與 DIAC（用于某些晶閘管 Crowbar 電路的交流二極管）非常相似。
接地隔離技術(shù)
所有破壞性浪涌事件都被建模為以大地/大地為參考的電壓源，如果 PCB也接地/接地，則需要處理以防止電路故障的浪涌能量可能很高。因此，如果我們能夠?qū)㈦娐放c外部世界的接口進(jìn)行電流隔離，那么我們就可以顯著降低需要管理的浪涌能量強(qiáng)度。
想想以太網(wǎng)磁性以及它們?yōu)榫蹠?huì)帶來(lái)的東西。在某些情況下，它們可在PCB與其外部布線之間提供高達(dá) 6 kV 左右的電流隔離。因此，預(yù)期的浪涌能量顯著降低；浪涌電流沒(méi)有傳導(dǎo)路徑流向大地。是的，變壓器必須針對(duì)浪涌電壓進(jìn)行額定。大多數(shù)以太網(wǎng)產(chǎn)品出于數(shù)據(jù)完整性的原因使用轉(zhuǎn)換器；添加一些額外的絕緣層并不是一個(gè)亮點(diǎn)。
然而，為了實(shí)現(xiàn)顯著的浪涌耐受能力，我們必須做好一些事情。我們需要在PCB上保持間隙距離，以便 kV 級(jí)浪涌不會(huì)“跨越”隔離。如有必要（在極端情況下），請(qǐng)加入PCB切口，但無(wú)論我們做什么，我們都應(yīng)該以平衡的方式進(jìn)行（不僅為了數(shù)據(jù)完整性，而且為了浪涌）。
必須對(duì)隔離的輸入/輸出信號(hào)走線應(yīng)用平衡技術(shù)。例如，如果其線路 IO 端子不平衡，隔離的 RS485 接口 IC 可能仍然容易受到攻擊。我們?cè)噲D滿足的浪涌保護(hù)水平可能是 6 kV（僅作為示例），但如果我們不小心地對(duì)輸入電路和跡線（接地）進(jìn)行阻抗平衡，通常 6 kV 的共模浪涌可能產(chǎn)生數(shù)十伏的局部差分電壓瞬變并破壞我們的 IC。
使用共模電容器接地會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的問(wèn)題；這些電容器的值不會(huì)完全相同，并且自然會(huì)引入不平衡，從而導(dǎo)致破壞性的差分浪涌并破壞我們所有的良好意圖。如果我們有一個(gè)隔離輸入電路，我們應(yīng)該盡力在所有可能的情況下保持這種方式。
光隔離也是另一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和廣泛使用的技術(shù)。
讓我們不要忘記顯而易見(jiàn)的事情
電容器
我們一直在使用它們，但它們非常適合浪涌保護(hù)，尤其是 ESD 事件。考慮到一個(gè)特定的“人體”(HB) ESD 事件相當(dāng)于一個(gè) 100 pF 的電容器充電到（比如）2,000 伏，然后通過(guò)一個(gè) 1.5 kΩ 電阻器放電到我們寶貴的 PCB 上。忘記電阻并問(wèn)問(wèn)自己可以在我的敏感輸入中添加多大值的電容器將電壓降低到（比如）20 伏特？100 pF 電容器上的“電荷”是電容乘以電壓，等于 200 nC?，F(xiàn)在將此電荷施加到 10 nF 電容器，我們發(fā)現(xiàn)電壓變?yōu)?span lang="EN-US"> 20 伏。換句話說(shuō)，電容器在處理 ESD 事件方面非常出色。因此，如果我們的電路可以在其輸入端承受 10 nF 電容器，請(qǐng)幫自己一個(gè)忙，選擇這種明顯且廉價(jià)的過(guò)壓保護(hù)方案。在這種情況下，模擬工具是我們的朋友。
二極管
二極管非常適合將浪涌事件轉(zhuǎn)移到我們的電源軌。這是一種保護(hù)敏感輸入的廣泛方法，以防止來(lái)自由 H 橋驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的能量轉(zhuǎn)移。盡管如此，為了有效，我們必須提供局部去耦電容器，以便能量傳輸不會(huì)通過(guò)長(zhǎng)的感應(yīng)軌道而導(dǎo)致更嚴(yán)重的問(wèn)題。換句話說(shuō)，某些東西必須在不產(chǎn)生過(guò)高電壓的情況下接收能量，而去耦電容器就是解決方案。然而，這不是火箭科學(xué)，很容易實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)線圈停用時(shí)，繼電器線圈需要反激二極管來(lái)“捕捉”線圈存儲(chǔ)的感應(yīng)能量。幾乎任何二極管都適用，因?yàn)樗荒芴幚韼资撩氲木€圈電流。但是，如果繼電器（磁性裝置或螺線管）需要快速關(guān)閉，我們可以在二極管上串聯(lián)一個(gè)電阻，以更快地?zé)魞?chǔ)存的能量。如果線圈電流為 20 mA 并且我們有一個(gè) 1 kΩ 電阻器與反激二極管串聯(lián)，則在線圈驅(qū)動(dòng)器晶體管上看到的峰值電壓將為 Vcc（例如 12 伏特）加上電阻器兩端的 20 伏特。您需要選擇一個(gè)能夠承受此電壓且具有一定舒適度的晶體管；在這個(gè)例子中可能至少考慮 45 伏。
電阻器
我見(jiàn)過(guò)一些設(shè)計(jì)師試圖將 TVS 二極管硬塞進(jìn)他們的電路中，以保護(hù)脆弱的輸入免受 ESD 事件的影響，但盡管他們進(jìn)行了計(jì)算，但他們還是無(wú)法使數(shù)字起作用。“我只是找不到電壓足夠低的 TVS 二極管來(lái)保護(hù)我的 CMOS 輸入，”我聽(tīng)到他們說(shuō)，當(dāng)然，如果不影響 CMOS 高信號(hào)電平，這不會(huì)很快起作用。因此，我們?cè)?span lang="EN-US"> TVS 二極管之后使用了一個(gè)串聯(lián)限流電阻。串聯(lián)電阻將進(jìn)入 CMOS 輸入的電流限制為 1 mA（或數(shù)據(jù)表中規(guī)定的任何值），我們選擇鉗位（例如）不超過(guò) 10 伏的 TVS 二極管。這意味著，如果 CMOS 電源為 3.3 伏，它將在電阻器上下降 6.7 伏（1 毫安時(shí)）并保護(hù)輸入。這相當(dāng)于一個(gè) 6.8 kΩ 的電阻器，價(jià)格低廉。
基本的 RC 或 LC 濾波器
我們經(jīng)常使用這些來(lái)塑造信號(hào)，但它們也可以從浪涌事件中去除大量高頻能量。低通 RC 濾波器自然會(huì)做到這一點(diǎn)，不會(huì)有太多麻煩。由此產(chǎn)生的峰值輸出電壓（和浪涌電流）可以明顯更小，從而更容易選擇 TVS 二極管。串聯(lián)電阻器仍會(huì)受到很大功率的影響，但它很容易模擬。浪涌波形可以用直線近似，并且?guī)缀跛谐Ｓ玫姆抡婀ぞ叨继峁y(cè)量電路中任何組件消耗的功率和能量的能力。
低通 LC 濾波器需要多加注意，但使用模擬器工具再次帶來(lái)好處。低通 LC 濾波器的高頻衰減是具有相同截止頻率的 RC 濾波器的兩倍。然而，多余的能量不會(huì)在電阻器中燃燒掉。有時(shí)，由此產(chǎn)生的峰值輸出電壓波形對(duì)功率不足的 TVS 二極管與原始浪涌一樣具有破壞性。因此，出于同樣的原因，請(qǐng)使用模擬器并準(zhǔn)備使用與電感器并聯(lián)的電阻器（以降低 Q 因子）或與電感器串聯(lián)的電阻器。
許多數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在幾 MHz 以下沒(méi)有頻譜內(nèi)容，使用高通濾波器（或帶通濾波器）也可以證明是一種有效的浪涌能量降低技術(shù)。
當(dāng)電路未與地隔離時(shí)，濾波器技術(shù)（如上所述）適用于單個(gè) IO 線，即濾波器輸出電容器將一些殘余能量分流到地/大地。嘗試將這種類型的濾波器與隔離 IO 電路一起使用會(huì)導(dǎo)致差分浪涌電壓出現(xiàn)在脆弱的 IC 引腳上，而且通常會(huì)使問(wèn)題變得更糟。有關(guān)原因的解釋，請(qǐng)參閱接地隔離技術(shù)部分。
共模扼流圈也有相同的小字。它們可以很好地降低噪音，但如果沒(méi)有接地/接地組件（如電容器），它們就無(wú)法有效工作。如前所述，電容器可能會(huì)產(chǎn)生不需要的差分浪涌。
過(guò)流保護(hù)
當(dāng)我們想到這一點(diǎn)時(shí)，我們可能會(huì)考慮輸出信號(hào)短路的后果。一個(gè)典型的例子是音頻放大器；許多放大器使用額外的晶體管來(lái)檢測(cè)輸出過(guò)流并限制驅(qū)動(dòng)到揚(yáng)聲器的電平，但是如果我們的電路有很多這樣的輸出信號(hào)，我們將如何實(shí)現(xiàn)保護(hù)？我們致力于防止客戶濫用，但并不總是有明確的解決方案。
對(duì)于運(yùn)算放大器（運(yùn)算放大器）等模擬輸出，我們可以添加一個(gè)串聯(lián)電阻（在負(fù)反饋回路內(nèi)）來(lái)限制輸出電流。但是，對(duì)于需要以相對(duì)低的阻抗（大約 50 Ω）驅(qū)動(dòng)差分線路的數(shù)字電路，我們可能會(huì)考慮選擇在輸出短路時(shí)能夠生存的設(shè)備。我們可能還需要選擇能夠承受間接雷擊浪涌的設(shè)備（并采用技術(shù)）。
對(duì)于數(shù)據(jù)和信號(hào)線，IEC 61000-4-5（浪涌抗擾度測(cè)試）規(guī)定，數(shù)據(jù)線浪涌通過(guò) 42 Ω 電阻器施加，而不是 2 Ω 信號(hào)源（用于交流電源線）；因此，2 kV 浪涌可產(chǎn)生 47.6 安培的預(yù)期短路電流（而交流電源線為 1,000 安培）。盡管這個(gè)電流對(duì)于外行來(lái)說(shuō)聽(tīng)起來(lái)仍然很高，但許多小尺寸和低電容的 TVS 二極管可以處理這樣的水平。
冒著聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)重復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)，模擬工具可以提供很多幫助。
熱保護(hù)
如果我們的電源在持續(xù)的時(shí)間內(nèi)變得過(guò)熱，電解電容器將比任何其他組件退化得更快。任何電源模塊（例如 SMPS）都可能是我們電路中最熱的部分，因此值得考慮我們可以采取哪些措施來(lái)減輕熱效應(yīng)。
我們可以選擇將我們的電源與輸入電源斷開(kāi)。這需要一個(gè)特定的電路，可能還需要一個(gè)繼電器或固態(tài)繼電器 (SSR)，或者我們可以簡(jiǎn)單地使用熱熔斷器?？梢赃x擇熱熔斷器，如果局部溫度在特定時(shí)間段內(nèi)升高到特定水平以上，則該熔斷器會(huì)斷開(kāi)。一旦損壞，某些類型的溫度保險(xiǎn)絲需要更換，但其他類型使用雙金屬條原理工作，并在充分冷卻后復(fù)位。自復(fù)位類型通常用于低壓直流電源應(yīng)用。
可相對(duì)容易且廉價(jià)地獲得與交流電源兼容的不可復(fù)位熔斷器。然而，我們必須權(quán)衡對(duì)我們的客戶來(lái)說(shuō)可能更重要的東西；我們的產(chǎn)品應(yīng)該保護(hù)自己免受持續(xù)高溫的影響并可以使用數(shù)十年，還是應(yīng)該在高溫下繼續(xù)工作以保持工作但最終在一兩年內(nèi)失效？一個(gè)棘手的選擇。