保护电路的方法

2021-09-01

保护电路的方法

过压、过流和发热是最有可能损坏我们昂贵的硅基组件或缩短产品预期寿命的三个事件。效果通常是立竿见影的，但在某些情况下，我们的产品可能会经受数月的长期过度压力，然后才会放弃。如果没有足够的保护，我们的电路很容易受到损坏，那么我们该怎么办？或者我们需要做什么？

例如，如果额外的保护成本太高，我们可能会选择承担后果。无论哪种方式，作为设计师，我们都应该采取一些行动并以技术记录的形式记录我们的决定，以便将来可以看到并证明我们的选择。理想情况下，我们首先列出威胁，即那些可能会发生的事情。在这里，从考虑客户的不良处理做法（包括 ESD 效应）到间接雷击浪涌的影响，在我们的PCB上产生以千伏为单位的电位是值得尽可能彻底的。如果要考虑全貌，就需要涵盖所有可信的威胁。

威胁

MIL-STD-883 ESD（静电放电）事件

IEC 61000-4-2 ESD 事件

IEC 61000-4-5 间接雷击浪涌（交流电源线和信号/数据线）

交流电浪涌——我们当地供电的稳定性如何？

客户滥用（肯定是一个棘手的领域）

温度过高，包括意外和长期的气候条件

通常不会保护 PCB组件的措施

值得一提的是，我们行业中使用的那些技术在保护我们的PCB或其组件方面并不是特别有用。我听工程师说保险丝可以为 MOSFET 或二极管提供过电流保护，但这是天真的，因为保险丝可能需要很长时间才能在中等过电流下熔断，而且熔断速度不够快以防止快速上升的瞬变。

保险丝（和断路器）

我们在很多地方都能看到它们，当然也看到它们安装在印刷电路板上，但是它们给聚会带来了什么，或者它们保护了什么？主保险丝防止基础设施损坏；它们将避免在墙内引起接线火灾，并且如果某个组件（例如交流变压器或 SMPS）发生短路故障，它们将防止我们的产品发生相应的燃烧。它们是可接受的火灾保险单，但不能依赖它们来保护PCB组件，除非在少数特定情况下。

这是一个独特的例子。在危险气体或灰尘环境中使用的电子电路通常受到“齐纳屏障”的保护，因为它们采用齐纳二极管而得名。屏障将限制输入气体或粉尘区域内“本质安全”电路的电压、电流和功率。然而，为了保护齐纳二极管免受上游过功率情况的影响（如果发生故障），屏障依靠保险丝在齐纳二极管受损之前开路。然而，总的来说，不能依靠保险丝来保护电子元件免受过电流浪涌的影响。例如，大多数集成电路 (IC) 或晶体管在保险丝充分断开电源之前很久就会因过流而失效。与大多数半导体相比，保险丝的热滞后太长了。

也不能依赖断路器来保护我们的PCB组件。就像保险丝一样，它们需要很长时间才能做出反应，而且损坏可以在几毫秒甚至更短的时间内完成。

RCD、RCCB、GFCI 或 ELCB

这些设备测量（或推断）不希望的接地电流的存在，并用于防止可能接触设备的人和牲畜发生电击风险。它们不一定为我们的 PCB或其组件提供任何保护。

确实保护 PCB 组件的措施

这些设备和技术被认为适用于保护我们PCB的电子元件免受过压和过流事件的影响。

齐纳二极管和 TVS 二极管

多年来，齐纳二极管一直被用作电路保护措施。然而，为了处理高浪涌脉冲能量（例如来自 ESD 事件或间接闪电事件），TVS 二极管是首选解决方案，因为它们具有更大的 PN 结表面积。这使它们能够安全地传导更高水平的电流。但这有一个缺点。与齐纳二极管相比，TVS 二极管通常具有更高的终端电容，并且在某些应用中会导致高频信号的显着劣化，而齐纳二极管不会出现这种情况。幸运的是，有很多可供选择，并且有一些类型专为高频保护而设计，但以较低的浪涌处理能力为代价。

齐纳二极管的主要特点是它可以比 TVS 更精确地调节电压，这就是它们被用于电压调节器电路的原因。这正是齐纳二极管设计用于的应用，正是这种类型的应用决定了它们的制造方式和发货前的测试方式。因此，齐纳二极管在发货前没有经过浪涌测试。另一方面，TVS 二极管通常被选择为不导电的（在我们的电路中保留），而齐纳二极管被假定为导电和调节。因此，TVS 二极管在发货前都经过了浪涌测试。

两者在过压应用中都很有效，但 TVS（与齐纳二极管的封装尺寸相同）可以处理更高的峰值浪涌能量。换言之，TVS 二极管专为 ESD 和浪涌事件而设计。最后，通常可以依靠 TVS 来使短路失效；因此，在死亡时，它仍然可以保护我们宝贵的电路（即使保险丝熔断），而不能依赖齐纳二极管以这种方式发生故障；它可能会开路失败，因此，我们宝贵的电路不再受到下一个“事件”的保护。

金属氧化物压敏电阻 (MOV)

与 TVS 二极管一样，它们用于限制由高能量浪涌引起的极端电压。但是，MOV 具有 TVS 二极管目前无法满足的特定使用领域，即交流电源线。可以发现 TVS 二极管具有高达约 500 伏峰值的隔离电压。然而，它们的低电流处理能力（在这个电压水平下小于 1 安培）使它们不适合在交流电源线上提供间接雷击浪涌保护设备。

引人注目的是二极管，它们可以快速响应，对于大多数 MOV 而言通常在几纳秒内，这对于上升时间为几微秒的交流线路浪涌来说已经足够了。然而，主要缺点之一是 MOV 每次处理浪涌时都会降低一点。它接收到的浪涌越强大，它就会越小，直到最终它会遭受热失控（由于漏电阻增加）并使交流电源短路或开始燃烧。这就是为什么在交流电源应用中使用 MOV 时，还必须在保护电路中使用保险丝。

Crowbar 保护 - 气体放电管 (GDT)

GDT 在某些应用中很有用，因为它们可以处理大量浪涌电流。他们之所以能做到这一点，是因为一旦他们最初产生电弧，他们就会将电压“撬开”到一个低水平。因此，它们从具有高关断电压的器件转变为钳位电压低得多的器件。瓦特代表瓦特意味着它们可以处理更高的电流浪涌。主要的缺点是，除非有一种机制可以熄灭低压电弧（例如交流电压循环通过零伏），否则它们将永远保持开启状态。这就是为什么它们不适合直流电压系统的原因，因为没有自然的灭火机制。它们在电信线路上大量使用，因为一旦浪涌得到处理，普通电话线的电流不足以维持电弧。

另一个缺点是与 MOV 和 TVS 二极管相比，它们的速度相对较慢。出于这个原因，它们有时与 MOV 结合使用；MOV 处理最初的快速浪涌，大约一微秒后，GDT 接管以安全管理大部分浪涌能量。GDT 还会因重复使用而退化和短路失效；因此，当应用于交流电源应用时，它们必须熔断。

其他类型的撬棍保护

一种标准而直接的方法是使用晶闸管（或双向可控硅）；一旦“检测到”浪涌电压，晶闸管就会激活并将电源电压钳位到低电平（与 GDT 非常相似）。通常，使用保险丝使线路开路。尽管如此，还有比使用限流电路（和定时器）更复杂的设计，一旦浪涌“消失”，电路就会恢复“正常运行”。后一种类型称为自复位（或有源）撬棒电路。如果我们有一个由相对便宜的本地电压调节器（可能无法短路）供电的昂贵且易受攻击的电子电路，则撬棒可以提供可靠的二级保护。但是，它们不会持续快速运行——它们可能需要长达几微秒的时间才能提供足够的保护。

还有 TVS 晶闸管（可从通常的供应商处获得），其商品名为 Trisil、Sidactor 和 Thyzorb。这些主要用于保护以太网设备免受差分浪涌影响的高速数据应用。它们具有低电容，可承受中等脉冲能量水平。然而，由于它们是一种撬棒器件，因此它们在轻微浪涌电流方面的性能优于（尺寸大小）小型 TVS 二极管。它们通常是双向设备，这意味着它们在正极性和负极性浪涌下的工作方式相同。在这方面，它们与 DIAC（用于某些晶闸管 Crowbar 电路的交流二极管）非常相似。

接地隔离技术

所有破坏性浪涌事件都被建模为以大地/大地为参考的电压源，如果 PCB也接地/接地，则需要处理以防止电路故障的浪涌能量可能很高。因此，如果我们能够将电路与外部世界的接口进行电流隔离，那么我们就可以显着降低需要管理的浪涌能量强度。

想想以太网磁性以及它们为聚会带来的东西。在某些情况下，它们可在PCB与其外部布线之间提供高达 6 kV 左右的电流隔离。因此，预期的浪涌能量显着降低；浪涌电流没有传导路径流向大地。是的，变压器必须针对浪涌电压进行额定。大多数以太网产品出于数据完整性的原因使用转换器；添加一些额外的绝缘层并不是一个亮点。

然而，为了实现显着的浪涌耐受能力，我们必须做好一些事情。我们需要在PCB上保持间隙距离，以便 kV 级浪涌不会“跨越”隔离。如有必要（在极端情况下），请加入PCB切口，但无论我们做什么，我们都应该以平衡的方式进行（不仅为了数据完整性，而且为了浪涌）。

必须对隔离的输入/输出信号走线应用平衡技术。例如，如果其线路 IO 端子不平衡，隔离的 RS485 接口 IC 可能仍然容易受到攻击。我们试图满足的浪涌保护水平可能是 6 kV（仅作为示例），但如果我们不小心地对输入电路和迹线（接地）进行阻抗平衡，通常 6 kV 的共模浪涌可能产生数十伏的局部差分电压瞬变并破坏我们的 IC。

使用共模电容器接地会带来严重的问题；这些电容器的值不会完全相同，并且自然会引入不平衡，从而导致破坏性的差分浪涌并破坏我们所有的良好意图。如果我们有一个隔离输入电路，我们应该尽力在所有可能的情况下保持这种方式。

光隔离也是另一种经过验证和广泛使用的技术。

让我们不要忘记显而易见的事情

电容器

我们一直在使用它们，但它们非常适合浪涌保护，尤其是 ESD 事件。考虑到一个特定的“人体”(HB) ESD 事件相当于一个 100 pF 的电容器充电到（比如）2,000 伏，然后通过一个 1.5 kΩ 电阻器放电到我们宝贵的 PCB 上。忘记电阻并问问自己可以在我的敏感输入中添加多大值的电容器将电压降低到（比如）20 伏特？100 pF 电容器上的“电荷”是电容乘以电压，等于 200 nC。现在将此电荷施加到 10 nF 电容器，我们发现电压变为 20 伏。换句话说，电容器在处理 ESD 事件方面非常出色。因此，如果我们的电路可以在其输入端承受 10 nF 电容器，请帮自己一个忙，选择这种明显且廉价的过压保护方案。在这种情况下，模拟工具是我们的朋友。

二极管

二极管非常适合将浪涌事件转移到我们的电源轨。这是一种保护敏感输入的广泛方法，以防止来自由 H 桥驱动的电机的能量转移。尽管如此，为了有效，我们必须提供局部去耦电容器，以便能量传输不会通过长的感应轨道而导致更严重的问题。换句话说，某些东西必须在不产生过高电压的情况下接收能量，而去耦电容器就是解决方案。然而，这不是火箭科学，很容易实现。

当线圈停用时，继电器线圈需要反激二极管来“捕捉”线圈存储的感应能量。几乎任何二极管都适用，因为它只能处理几十毫秒的线圈电流。但是，如果继电器（磁性装置或螺线管）需要快速关闭，我们可以在二极管上串联一个电阻，以更快地烧掉储存的能量。如果线圈电流为 20 mA 并且我们有一个 1 kΩ 电阻器与反激二极管串联，则在线圈驱动器晶体管上看到的峰值电压将为 Vcc（例如 12 伏特）加上电阻器两端的 20 伏特。您需要选择一个能够承受此电压且具有一定舒适度的晶体管；在这个例子中可能至少考虑 45 伏。

电阻器

我见过一些设计师试图将 TVS 二极管硬塞进他们的电路中，以保护脆弱的输入免受 ESD 事件的影响，但尽管他们进行了计算，但他们还是无法使数字起作用。“我只是找不到电压足够低的 TVS 二极管来保护我的 CMOS 输入，”我听到他们说，当然，如果不影响 CMOS 高信号电平，这不会很快起作用。因此，我们在 TVS 二极管之后使用了一个串联限流电阻。串联电阻将进入 CMOS 输入的电流限制为 1 mA（或数据表中规定的任何值），我们选择钳位（例如）不超过 10 伏的 TVS 二极管。这意味着，如果 CMOS 电源为 3.3 伏，它将在电阻器上下降 6.7 伏（1 毫安时）并保护输入。这相当于一个 6.8 kΩ 的电阻器，价格低廉。

基本的 RC 或 LC 滤波器

我们经常使用这些来塑造信号，但它们也可以从浪涌事件中去除大量高频能量。低通 RC 滤波器自然会做到这一点，不会有太多麻烦。由此产生的峰值输出电压（和浪涌电流）可以明显更小，从而更容易选择 TVS 二极管。串联电阻器仍会受到很大功率的影响，但它很容易模拟。浪涌波形可以用直线近似，并且几乎所有常用的仿真工具都提供测量电路中任何组件消耗的功率和能量的能力。

低通 LC 滤波器需要多加注意，但使用模拟器工具再次带来好处。低通 LC 滤波器的高频衰减是具有相同截止频率的 RC 滤波器的两倍。然而，多余的能量不会在电阻器中燃烧掉。有时，由此产生的峰值输出电压波形对功率不足的 TVS 二极管与原始浪涌一样具有破坏性。因此，出于同样的原因，请使用模拟器并准备使用与电感器并联的电阻器（以降低 Q 因子）或与电感器串联的电阻器。

许多数据传输系统在几 MHz 以下没有频谱内容，使用高通滤波器（或带通滤波器）也可以证明是一种有效的浪涌能量降低技术。

当电路未与地隔离时，滤波器技术（如上所述）适用于单个 IO 线，即滤波器输出电容器将一些残余能量分流到地/大地。尝试将这种类型的滤波器与隔离 IO 电路一起使用会导致差分浪涌电压出现在脆弱的 IC 引脚上，而且通常会使问题变得更糟。有关原因的解释，请参阅接地隔离技术部分。

共模扼流圈也有相同的小字。它们可以很好地降低噪音，但如果没有接地/接地组件（如电容器），它们就无法有效工作。如前所述，电容器可能会产生不需要的差分浪涌。

过流保护

当我们想到这一点时，我们可能会考虑输出信号短路的后果。一个典型的例子是音频放大器；许多放大器使用额外的晶体管来检测输出过流并限制驱动到扬声器的电平，但是如果我们的电路有很多这样的输出信号，我们将如何实现保护？我们致力于防止客户滥用，但并不总是有明确的解决方案。

对于运算放大器（运算放大器）等模拟输出，我们可以添加一个串联电阻（在负反馈回路内）来限制输出电流。但是，对于需要以相对低的阻抗（大约 50 Ω）驱动差分线路的数字电路，我们可能会考虑选择在输出短路时能够生存的设备。我们可能还需要选择能够承受间接雷击浪涌的设备（并采用技术）。

对于数据和信号线，IEC 61000-4-5（浪涌抗扰度测试）规定，数据线浪涌通过 42 Ω 电阻器施加，而不是 2 Ω 信号源（用于交流电源线）；因此，2 kV 浪涌可产生 47.6 安培的预期短路电流（而交流电源线为 1,000 安培）。尽管这个电流对于外行来说听起来仍然很高，但许多小尺寸和低电容的 TVS 二极管可以处理这样的水平。

冒着听起来有点重复的风险，模拟工具可以提供很多帮助。

热保护

如果我们的电源在持续的时间内变得过热，电解电容器将比任何其他组件退化得更快。任何电源模块（例如 SMPS）都可能是我们电路中最热的部分，因此值得考虑我们可以采取哪些措施来减轻热效应。

我们可以选择将我们的电源与输入电源断开。这需要一个特定的电路，可能还需要一个继电器或固态继电器 (SSR)，或者我们可以简单地使用热熔断器。可以选择热熔断器，如果局部温度在特定时间段内升高到特定水平以上，则该熔断器会断开。一旦损坏，某些类型的温度保险丝需要更换，但其他类型使用双金属条原理工作，并在充分冷却后复位。自复位类型通常用于低压直流电源应用。

可相对容易且廉价地获得与交流电源兼容的不可复位熔断器。然而，我们必须权衡对我们的客户来说可能更重要的东西；我们的产品应该保护自己免受持续高温的影响并可以使用数十年，还是应该在高温下继续工作以保持工作但最终在一两年内失效？一个棘手的选择。