基于MOSFET的浪涌防護設計

劉 力，劉少龍，楊啟帆，李 瑞，李文衡

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

隨著電力電子技術的不斷發展，線性開關電源因其效率高、質量輕、體積小以及輸出穩定等優點被廣泛應用在通信、計算機和工業自動化等領域。為了避免浪涌電壓擊毀敏感的自動化設備，導致計算機誤動作使數據丟失等，在電路中往往會采用吸收電器或者無源保護電路來抑制電壓浪涌[1-3]。本文首先總結了浪涌現象及其危害，并對常見的電壓浪涌防護方式進行總結，最后提出基于MOSFET的浪涌防護設計，同時對其防護功能進行仿真驗證，表明基于MOSFET的電壓浪涌防護具有良好的實用性。

1 浪涌概述

1.1 浪涌現象及危害

浪涌也被稱為瞬態過電壓，一般在百萬分之一秒內產生高頻尖峰沖擊電壓或電流[4]。當切斷空載變壓器時會出現高達額定電壓8～10倍的操作過電壓，雷擊浪涌也會在配電線路中引起瞬態過電壓。在低壓配電系統中，由于雷擊、系統內開關操作及系統事故等原因，外部及內部浪涌頻繁出現[5]。

有學者對沖擊電壓波形進行傅里葉變換分析其頻域特性，發現浪涌波形的能量主要集中在較低的頻段，但浪涌波形也包含高頻成分，故沖擊電壓不僅會對電源設備和貴重的計算機及各種硬件設備造成直接的損害，也會對電子芯片造成不可恢復的損傷，使電子設備運行不穩定并加速老化。同時由于其包含的高頻成分，會干擾計算機的運行，從而會導致計算機誤動作，數據丟失等。

1.2 常見的浪涌防護

對于浪涌現象可以理解為瞬間出現一股極高的能量沖擊，因此對于浪涌防護的核心就是使該能量可以快速消失，從而保護后端設備不受其損害。目前最常見的浪涌防護方式是在被保護設備前段加裝保護設備，這些保護器件的工作原理不同，但具有相似的伏安特性，即當電路出現浪涌，保護器兩端的電壓高于其啟動電壓時，保護器兩端的阻抗會急劇變小，使通過其的電流指數增加，而此時浪涌的總能量不變，從而使保護器兩端的電壓鉗制在安全電壓之內，保護后端設備。最常用的浪涌抑制器大致分為限幅型、開關型以及混合型等幾種類型，它是低壓系統和電子設備可靠運行的保證[6,7]。下面簡單介紹幾種常見的浪涌抑制器的使用方法及特點。

1.2.1 瞬態電壓抑制二極管

瞬態電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）是一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應速度（亞納米級）和相當高的浪涌吸收能力[8-10]。TVS管的具體用法如圖1所示，當它的兩端經受瞬間的高能量沖擊時，能極快地把兩端的阻抗值由高阻抗變為低阻抗，吸收一個瞬態大電流，從而使其兩端電壓鉗位在一個預定數值，保護后面的電路元件不受瞬態高電壓尖峰脈沖的沖擊。

圖1 TVS管接線示意

1.2.2 氣體放電管

氣體放電管采用玻璃或陶瓷作為管子密封性能穩定的惰性氣體，當兩端的電壓達到惰性氣體的擊穿電壓時，兩極間隙被擊穿，放電管由絕緣態變為導電態，具體用法如圖2所示。

圖2 氣體放電管接線示意

1.2.3 壓敏電阻

壓敏電阻的伏安特性呈非線性特點，當壓敏電阻兩端的電壓在其閾值以下時，電阻近似無窮大，基本無電流流過。如果其兩端的電壓超過閥值，電阻會急劇下降，可以泄放大電流。壓敏電阻在電路中具體用法如圖3所示。

圖3 壓敏電阻接線示意

2 新型浪涌防護設計

2.1 基于MOSFET的浪涌防護原理

MOSFET是一種單極性電壓控制型器件，具有開關速度快、工作頻率高以及不存在二次擊穿等優點，可以利用其電壓控制通斷的特性完成如圖4所示的基于MOSFET的浪涌防護設計。該設計主要由一個電壓比較器、N溝道MOSFET、兩個分壓電阻以及一個濾波電容組成。當輸入電壓在正常工作電壓范圍內時，R1與R2之間的電壓低于Us時，比較器輸出值大于MOSFET的Ugs，MOSFET導通，電路正常工作。當輸入電壓Uin出現尖峰浪涌電壓時，R1與R2間的電壓高于Us，比較器輸出值小于MOSFET的Ugs，MOSFET關閉，電路關斷，從而保護后級電路不會受到尖峰電壓的損傷，當浪涌電壓過去后，MOSFET又會正常打開，電路正常工作。

圖4 浪涌防護原理示意

2.2 電路設計

LTC4364是Linear公司推出的一款具有過流保護、過壓保護以及理想二極管控制功能的過壓浪涌抑制器，其工作電壓范圍為4～80 V，最大反向輸入電壓為-40 V，通過簡單地控制一個MOSFET來進行過欠壓及浪涌防護調節保護。

本文搭建了一個簡單電路，原理如圖5所示，并對其工作原理進行簡單介紹。LTC4364的10腳和11腳分別是電路的欠壓和過壓監控引腳，當電路輸入電壓出現異常不在正常監控范圍內時，該芯片內部的電壓比較器則使6腳輸出低電平D3的MOSFET關閉，進而保護后級電路。1腳和2腳之間的電阻R8為過流保護的采樣電阻，電路出現過流現象時，R9兩端的壓差會變大，當觸及閥值時會拉低6腳的電平，也會快速關閉MOSFET，避免后級設備發生損壞。LTC4364還具有輸出電壓鉗位功能，輸出電壓發生變化時，16腳的電壓也會發生變化，而當16腳電壓高于基準電壓1.25 V時，芯片會快速拉低6腳和4腳電平，從而保證輸出電壓不會超過預設值。最后值得介紹的是該電路還具有一個可調的故障定時器，當電路出現過欠壓及過流現象時，LTC4364芯片會給15腳上的電容充電，使15腳的電壓快速升高，也會加快MOSFET的關閉速度，故障結束時，15腳的電容會以2 μA的速度放電。當15腳的電壓第32次降低到1.25 V且過欠壓及過流故障消失時則會使電路重啟，否則將會繼續延遲電路開啟。通過以上電路介紹，LTC4364具有良好的電壓浪涌防護功能并具有過欠壓及過流防護功能。

圖5 電路設計原理

2.3 電路仿真

為了驗證該電路設計對電路真實的浪涌防護效果，本文使用仿真軟件LTspice對其進行仿真。為了驗證該設計的浪涌防護功能，設置電源輸入端前100 ms的輸入電壓為28 V，在之后加一個10 μs的60 V電壓沖擊，再然后恢復成28 V輸出。仿真結果的輸入輸出結果如圖6所示，可以看到在前100 ms內，輸出電源隨著輸入電壓快速升到了28 V，然后當輸入出現10 μs的60 V電壓沖擊時，輸出電壓很快被鉗制在29 V，避免后級電路受到損害，當輸入電壓恢復到28 V時，輸出電壓也恢復成了28 V。通過電路仿真，結果表明該設計具有良好的電壓浪涌防護效果。

圖6 仿真結果

3 結 論

隨著電氣設備的精密化，電壓浪涌對設備造成的影響越來越無法被忽視，本文簡單總結了電壓浪涌的危害和傳統浪涌防護的方法及不足，提出一種基于MOSFET的浪涌防護設計。通過搭建實際電路并仿真驗證，發現基于MOSFET的電壓浪涌防護設計對電路具有很好的防護效果，為今后的電源設計提供了一種良好的浪涌防護方法。