电源小白入门学习10——浪涌、防浪涌器件、浪涌保护芯片

浪涌

浪涌，相信不少学习过电子的同学或多或少都通过这个词，但是到底什么是浪涌呢，GPT给我的答案是这样的：

浪涌，也称为瞬态浪涌，是电路中突然出现的瞬间高电压或高电流的变化。这种变化通常持续时间非常短暂，但却可能对电子设备和电路造成严重的损害。浪涌事件可能是由多种原因引起的，其中包括：

1. 闪电击中：当闪电直接或间接击中电力线路或设备时，会产生巨大的电压和电流浪涌，进而影响到连接在电力网络上的设备。

2. 电源切换：在工业和商业领域，电源系统的开关操作（如切换到备用电源或故障切换）可能会导致电压或电流的瞬时变化，从而引发浪涌。

3. 电感耦合：在电路中存在电感元件时，电感与电流的突然变化可能会导致电感中产生的自感电压或互感电压，从而引发浪涌。

4. 高能量装置启动：某些高能量设备的启动，如电动机、变压器等，可能会引起电力系统中的瞬时电压和电流波动，从而产生浪涌。

浪涌事件的特点包括：

• 瞬时性：浪涌事件的持续时间非常短暂，通常在微秒或毫秒级别。
• 高幅值：浪涌事件的电压或电流幅值可能远远超出电路正常工作范围。
• 频繁性：在某些环境中，如雷电频繁的地区或电网负荷变化大的场所，浪涌事件可能会频繁发生。

浪涌保护器件的分类与原理

在以往的电路设计过程中，我们都是基于一个理想的状态进行设计的，理想的系统输入是稳定的，没有过充、负压和短路的情况，但在实际的系统中,可能会存在以下几种情况：

1. 过充：浪涌、静电、谐振等导致
2. 反压：输入反接导致
3. 短路：输入电容或TVS二极管等器件失效导致

这就要求我们设计的电路具有浪涌抑制、过压防护、过流防护的能力。通常我们的做法是在电路中中增加以下元器件，比如保险丝、防反接二极管、TVS二极管、电容电感等。如图：

确实，这样的方式在通常的常用是够用的，但是对于一些要求比较高的场合，也会存在一些缺点：

1. 尺寸大：在有些场合，我们会采用电容和电感搭配使用的方式，对输入电压进行滤波处理，会导致电路的体积增大
2. 钳位效果差：TVS二极管D12是用来吸收输入的尖峰电压的，当输入电压高于一定值时，TVS二极管反向导通，吸收多余的多余的功率，把输入电压钳位在某一值，但是实际上，TVS二极管的钳位电压与通过的电流有关，所以钳位的效果往往不是很好，
3. 防反接二极管损耗大：D13是用来放反接的，正常情况下，二极管D13是导通的，在上面会存在一个压降，上面的损耗也挺大的
4. 过流不可恢复：F1是保险丝，用来防止短路造成的电流过大，但是F1一般是一次性的，短路后会熔断，不可恢复
5. 不能有效处理长时间的过压：TVS二极管的作用是吸收瞬态的过冲，对于长时间的过压，会导致TVS二极管烧毁
6. 输入斜率不可控：指的是当输入接入后，输出也随之存在，没有办法做到软启动。

下面我们来仔细了解以下这些元器件的工作原理

保险丝

保险丝作为一种电流过载保护装置，其工作原理是在电流超过保险丝额定值时，保险丝内部的导体会瞬间熔断，切断电路，防止过大电流对电路和设备造成损害。

常见的保险丝有一次性保险丝和可恢复保险丝两种，可恢复保险丝实际上是PTC热敏电阻，当电流过大时，热敏电阻的温度上升，阻值变得很大，从而实现保险丝的保护功能。但无论是哪一种保险丝，都存在以下几个问题：

1. 反应速度慢，当保险丝开启保护时，电路中电流往往已经流了一段时间了，可能电路中有的元器件已经损坏了。
2. 不准确：即使是同一批生产的保险丝，他们的额定电流和最大电流也有可能不一样
3. 尺寸大：越大的额定电流，保险丝的尺寸越大。

除此之外，还有一种电子保险丝，原理时通过采样电阻，对输入电流进行检测，进而控制电路的断开与闭合：具有过流检测、可控制电路通断、可恢复等功能，同时也存在电路复杂，尺寸大、成本高等特点。

TVS二极管

TVS（Transient Voltage Suppression）二极管是一种常用于浪涌保护的主要器件之一，利用二极管的雪崩击穿特性

下面是TVS二极管的一些重要参数：

• TVS二极管的击穿电流： i = （Vbat - Vclamp）/Ri 其中：Vbat = 电池电压 ，Vclamp = TVS的响应电压 ，Ri = TVS的等效电阻
• 响应电压：小于这个电压，TVS二极管不导通，大于这个电压，TVS二极管导通
• 钳位电压：指的是TVS二极管导通时两端的电压
• 允许功率：指的是TVS二极管在反向导通的一段时间内能够承受的最大功率。这个参数取决于温度、电压、脉冲和次数等参数，在实际设计中往往很难把握，至少对于现在的的我来说是这样的。

而且TVS二极管也存在以下问题：

• 击穿点的离散性较大：就算是同一批生产的TVS二极管，相应电压也会有所不同，离散性较大。
• 击穿特性不是很好：随着TVS二极管两端的电压上升，TVS被击穿的电流也会随着上升，但是这个变化不是急剧上升的，有的时候没办法吸收多余的功率。
• 短路失效模式：当TVS二极管反向击穿时，二极管相当于短路，会都后面的电路产生影响，使其无法正常工作。
• 尺寸较大：当TVS的允许功率做到上KW时，TVS二极管的体积会变得很大。
  

新防护电路

前面介绍了一些传统的保护电路和元器件，他们或多或少都存在一些问题，那么有没有更优的方案呢，答案是有的，我们姑且称之为新防护电路吧：

• 新防护电路的思路，是利用MOS管的线性工作区来钳位尖峰，类似于LDO调节的方式，通过控制MOS的导通程度，进而控制导通电阻，来有效的限制输入电流，降低功率
• 同时也可以实现：输入欠压、输入稳态过压、可恢复过流保护，斜率控制了、理想二极管等保护
• 新保护电路采用的是闭环控制，所以各种参数都是可以设计的
  

如图是ADI公司的一款浪涌保护芯片LT4364，就可以很好的解决上面存在的一些缺陷，但是也有一个缺点，就是贵，太贵了！下面是我学习到的一些内容：

1. 控制上电斜率
   

• 通过在gate脚引入一个c1电容，就可以控制上电斜率：因为我们可以知道，MOS管Q1的导通电压是确定的，在输出电压确定的情况下，我们就可以Q1栅极电压到达多少时，MOS完全开启，那么只需要增加电容C1就可以控制Q1栅极电压缓慢上升，从而实现控制上电斜率
• 公式如下：dv / dt = Igate拉电流 / C1 = 30uA / C1 = inrush电流 / CL （其中gate脚的拉电流是从数据手册上得到的，大概在30uA左右）
• 可见：只要c1取不同的不同的值，既可以得到不同的上电斜率
• R1和D1的作用则体现在Q1需要关闭时，避免gate的电平无法突变到低电平和用来个C1放电。

2. 通过MOS管代替理想二极管防止反接

• 通过PMOS，防止反接，当电源反接时，Q2关断，

• 通过NMOS，防止反接，原理如下：
• 当输入正接时，Q2开启，此时一切正常。
• 当输入反反接时，Q3导通，Q2的栅极被拉低，Q2截止，此时电流回路断开
• D2的作用：避免在正接的情况下，Q3基极与发射集直接承受过大的反压（Q3基极与发射集承受反压的的能力很弱，一般0.2~0.3V就会损坏）而损坏。
• R5的作用，减小正接的时候，电流通过D1沿着R5流到C1去，进而影响上电斜率。

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