低壓電源多階防護(hù)電路的設(shè)計(jì)研究

金慶田 葉斌

摘? 要：介紹了常用浪涌保護(hù)器件的特性。對(duì)低壓電源端口防護(hù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，糾正業(yè)內(nèi)常見(jiàn)錯(cuò)誤認(rèn)知，創(chuàng)新式提出利用電源穩(wěn)壓電容提高防護(hù)能力減少對(duì)電壓瞬變抑制二極管通流能力的要求。

關(guān)鍵詞：浪涌，MOV，TVS，GDT，SPD電涌保護(hù)器，DC-DC電源

引言

隨著商用電子產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)電源需求越來(lái)越高，同時(shí)隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，浪涌對(duì)初級(jí)電源管理芯片的危害日益嚴(yán)重。在電源芯片設(shè)計(jì)中，只考慮片上ESD防護(hù)，對(duì)更大瞬態(tài)能量的浪涌防護(hù)，無(wú)法有效防護(hù)，這時(shí)就需要進(jìn)行片外的防護(hù)設(shè)計(jì);

1 瞬態(tài)脈沖失效現(xiàn)象

瞬態(tài)脈沖的失效形式有兩種，一是熱擊穿，二是電擊穿。產(chǎn)生熱擊穿的根因是瞬間大電流產(chǎn)生大量熱量，難以快速散出。產(chǎn)生電擊穿的根因是大電場(chǎng)所引起的介質(zhì)擊穿，常發(fā)生在MOSFET的柵氧處。DC-DC電源采用功率型MOS管自身與襯底或者阱形成反偏的PN結(jié)，且擴(kuò)散區(qū)面積大，片上就能做到ESD nS級(jí)防護(hù)。但對(duì)浪涌us級(jí)的能量就不夠了，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T17626.5 戶(hù)外電源口需要滿(mǎn)足±2KV差模8/20uS的電流波形沖擊，瞬態(tài)電流高達(dá)1000A，片內(nèi)防護(hù)能力遠(yuǎn)不夠，需要進(jìn)行片外防護(hù)。

2 片外防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 常用防護(hù)器件

瞬態(tài)干擾的特點(diǎn)是高壓或大電流，需選大通流并能鉗位電壓的SPD進(jìn)行防護(hù)。市面上常用的有氣體放電管GDT、壓敏電阻MOV、電壓瞬變抑制二極管TVS，三種器件各有特點(diǎn)：GDT通流最強(qiáng)，能達(dá)數(shù)十千安，但有續(xù)流遮斷的特性，限制了在直流電路中的應(yīng)用。氧化鋅壓敏電阻（ZnO—MOV）其各方面較為均衡，便宜的價(jià)格成為第一級(jí)防護(hù)器件的首選。TVS由于其通流能力較小，低殘壓一般用于第二級(jí)防護(hù)。

2.2防護(hù)電路架構(gòu)

商用電子產(chǎn)品一級(jí)低壓DC-DC耐壓能力不高，為達(dá)防護(hù)要求需設(shè)計(jì)二階防護(hù)電路。如圖1所示，第一級(jí)采用MOV滿(mǎn)足大通流，第二級(jí)采用TVS滿(mǎn)足低殘壓。兩級(jí)間串聯(lián)電感用來(lái)保證SPD的啟動(dòng)和分流，保險(xiǎn)絲要同時(shí)滿(mǎn)足安規(guī)和浪涌的要求。最后一級(jí)uF級(jí)的穩(wěn)壓電容，這顆電容可以啟到啟動(dòng)第一次防護(hù)器件和分流二級(jí)電流的作用。

2.3限流保險(xiǎn)絲要求

浪涌防護(hù)使用慢熔斷型保險(xiǎn)絲，需關(guān)注設(shè)備功耗和浪涌等級(jí)。設(shè)備功耗決定穩(wěn)態(tài)電流，浪涌等級(jí)決定熱熔值的選取。選取保險(xiǎn)絲要熱熔值和穩(wěn)態(tài)電流都滿(mǎn)足要求。

2.4 防護(hù)退耦電路

防護(hù)及退耦的設(shè)計(jì)，用一個(gè)示例說(shuō)明如何設(shè)計(jì)。假設(shè)后級(jí)電源芯片工作電壓為DC48V，耐壓76V，穩(wěn)壓電容C 100uF。需滿(mǎn)足±2KV即通流1000A，防護(hù)電路殘壓設(shè)計(jì)目標(biāo)70V。在直流回路中MOV工作電壓U≥1.2Udc，式中Udc為直流額定工作電壓最大值。MOV通流按照1.5倍通流要求選取。比如可選取某廠家的MOV型號(hào)07D820K直流工作電壓65V 浪涌最大通流1200A殘壓330V。二級(jí)防護(hù)采用TVS，應(yīng)有min（UBR）≥ （1.3～1. 6）Umax， 式中UBR為直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是回路中的電壓峰值。

退耦電感的選取，有一個(gè)大的誤區(qū)，業(yè)內(nèi)很多人誤認(rèn)為電感起到時(shí)延的作用，壓敏電阻先動(dòng)作，后級(jí)電路后動(dòng)作。這是一個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)知，電感要形成感抗要有電流變化，要形成電流二級(jí)防護(hù)一定先動(dòng)作。如何精準(zhǔn)選取電感啟到退耦作用呢？假設(shè)二級(jí)電路通過(guò)400A電流，一級(jí)MOV通過(guò)600A電流（僅計(jì)算需要，可配置其他比例）。

如上圖1：△U=U1-U2=330-70=260V

時(shí)間t取8us，則：L=?U/（di/dt）=260/（400/8）=5.2μH

得到至少要選擇5.2μH以上的電感。

電容C作用：吸收電流保持電壓穩(wěn)定，通過(guò)公式計(jì)算。

瞬時(shí)電容端的電壓：Uout=VCC×（1-e^（（-t/RC）））

Uout電容電壓，VCC電源電壓，t時(shí)間，R感抗約9.5歐姆，C容值，以及常數(shù) e ≈ 2.71828電容充到70V計(jì)算下來(lái)需要時(shí)間t=25us ，在整個(gè)浪涌波形期間，都會(huì)存在電容分流。

3 仿真模擬

按照?qǐng)D1電路用psipce仿真模擬，得到結(jié)果，壓敏電阻殘壓U1=330V，低壓電源芯片端殘壓67V 和設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果基本一致，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。MOV上電流I2=520A電容C上電流I3=220A ，TVS上電流I2=320A。因此只需選擇一顆320A以上通流的TVS就可以滿(mǎn)足防護(hù)設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)語(yǔ)

電源端口是商用電子產(chǎn)品失效的一大來(lái)源。正確選擇防護(hù)器件，破除業(yè)內(nèi)粗放式設(shè)計(jì)再以測(cè)試來(lái)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)模式，通過(guò)精確計(jì)算和仿真，才能設(shè)計(jì)出性能符合要求、成本最優(yōu)的防護(hù)電路。

參考文獻(xiàn)

[1]電源浪涌保護(hù)電路的正確運(yùn)用;北京交通大學(xué) 陳嵩 國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 武建剛

[2]ESD防護(hù)研究和寬負(fù)載范圍的高效DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì);中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 劉暢

作者簡(jiǎn)介：金慶田（1981.9-），男，江蘇儀征人，本科，中級(jí)工程師，電磁兼容。