电路保护设计、产品和方法

电路保护：对设备和元件至关重要

在设计电路时，我们往往喜欢认为世界为我们提供了一个理想的设置，其中我们的电源是没有噪声的，电容器是没有电阻的，而逻辑电平可瞬间上升和下降。然而，现实世界远非理想世界。电源的噪声可能很大（尤其是 DC/DC 转换器），电容通常具有等效串联电阻，逻辑电平通常会出现各种时序问题。

即使我们考虑这些对元件和器件的现实影响，许多设计人员通常也会忘记解决一个问题，即电路保护。构建在试验板或原型 PCB 上的电路可能在实验室条件下工作良好，但现实世界不一定提供这些理想条件，任何与静电敏感元件打过交道的人都清楚这一点。电涌产生的电压尖峰可能会损坏稳压器，而用户的静电冲击可能会在毫无察觉的情况下损坏微控制器。由于设计人员永远无法确定他们的电路可能会遇到什么问题，因此保护电路，使其尽可能远离不同来源的损坏被认为是一种良好的做法。

电路损坏的典型来源

虽然潜在的损坏来源很多，但主要包括静电放电、电感反激和市电电涌。

静电放电就是静电释放。到目前为止，它是 CMOS 器件的最大杀手之一。静电放电可能来自一系列不同的来源，但其中一个更常见的来源是人类。人类有一个习惯，就是身体穿衣，脚底穿鞋。结果是，当人类四处活动时，衣料和橡胶会摩擦皮肤和其他表面；这反过来会产生静电荷。当一个带静电的人接触电子电路时，很有可能电荷会从这个人身上转移到电路中，从而使电路承受几千伏的电压。虽然转移到电路上的能量非常小，但高电压很容易导致基于 MOS 的技术（如晶体管、调节器、微控制器等）的电介质击穿。基于隔离栅和结点的其他技术（如 BJT 和 FET）受静电冲击的影响较小，但仍然存在被损坏的风险。

电感反激是流经电感元件（如线圈或扼流圈）的电流突然改变时出现的一种现象。当出现这种情况时，储存在磁场中的能量需要释放出来。磁场的崩溃导致感应出电压（但是与电感器的电压源极性相反）。这种感应电压被称为“反电动势”，对于敏感电路（如基于硅的电路）非常危险。即使是小电感产生的反电动势也可能高达数百伏。反电动势的常见来源包括扼流圈、电机和变压器。

市电浪涌，也称为电网电源电涌，有多种来源，包括发电站故障、变电站故障和闪电。市电浪涌是指大电压尖峰注入电网。这种突然的峰值会影响几乎所有连接到电网的设备。电压尖峰影响电网的一个典型例子是暴风雨期间的停电。一道闪电可能击中一个输电塔，导致整个电网出现电涌。变电站可能会被电涌损坏，因此它提供的电力会被切断，或者它可以检测到电涌，然后有意切断电力，以防止对下游消费者造成损害。电涌也可能是由电源重新连接引起的，即停电区域突然重新连接到电网。

电路保护方法

我们可以看到，有许多不同的潜在损坏来源，但我们如何保护电路免受这种损坏呢？

齐纳二极管/串联限流电阻

齐纳二极管是最常用的电路保护器件之一，这是因为它们具有钳制电压的能力。如果在正向偏置模式下使用，它们将像任何其他硅二极管一样将电压钳制在 0.6 V 左右；然而，与硅二极管不同的是，在反向偏置模式下使用时，它们会将电压钳制在特定值。

例如，一个 5V1 齐纳二极管会在反向偏置模式下将电压钳制在 5.1 V，这样，如果二极管上的电压超过 5.1 V，电压就不会再高了。这些二极管通常与串联限流电阻一起使用，以便通过齐纳二极管的电流就不会超过其极限。串联限流电阻还可以保护电路免受电流尖峰的影响。不过，应当注意的是，串联限流电阻会影响电路的速度性能，更适用于高阻抗输入。

扼流圈：电感器

扼流圈是一对特殊的电感器，可以抵抗电流的突然变化。例如，来自电网的电压尖峰可能会进入敏感电路的电源输入端。如果在电源输入端串联一个扼流圈，则电压尖峰（也会引起电流尖峰 I，与电压 V 成比例）会降低，并且电路的其他部分受浪涌的影响也会减少。

去耦电容

电压和电流尖峰并不是电路可能面临的唯一危险。潜在损害的另一个来源是掉电，这是指电力供应的突然故障，可能持续数百毫秒。虽然这对于风扇和灯等简单设备来说不是特别大的问题，但对计算机、笔记本电脑和安全系统等依赖数字逻辑的设备来说，这可能是非常有害的。

虽然持续半秒以上的大面积掉电很难解决（通常需要二级备用电源），但使用去耦电容可以解决设备开启（如无线电模块）导致的短暂掉电。去耦电容只不过是一个大电容，在正常工作时保持充电状态，但在掉电时可以将其电能泵回电路，以维持电源电压。这种电容通常放置在功率处理电路之前，如微控制器的线性稳压器。这确保了微控制器的电压可以得到适当的维持（记住，许多稳压器可以接受较宽的输入电压范围，但许多微控制器不能处理较大的电压偏差）。去耦电容的其他用途包括保护电路免受其它开关器件注入电源的噪声影响，包括 DC/DC 转换器、处理器、传感器、无线电模块和高速数字电路。在这些情况下，一个很好的经验法则是为微控制器上的每个电源引脚配备专用的去耦电容，跨接在微控制器电源上。

保险丝

许多电路保护技术通常关注的是外部影响，但有时需要保护电路免受自身影响。自我保护的一个经典例子是使用保险丝进行短路保护。虽然并非所有电路都存在这一问题，但一些设计可能包含在故障条件下可能消耗大量电流的电路。

例如，推挽式放大器可以连接到外部设备，但也可能需要改设备具有最小阻抗。在这种情况下，推挽电路很容易短路。虽然放大器可能能够处理电流，但电路中的其他元件可能无法处理。在这种情况下，保险丝可以与电源、输入和输出串联使用，以确保电路不会汲取大量危险的电流。保险丝有多种类型，熔线保险丝适用于市电供电设备，而小型可复位保险丝更适合 Arduinos 等数字电路。

保护二极管

保护二极管在线圈和电机等元件可能会产生电感反馈的设计中至关重要。虽然电机和线圈本身没有损坏的风险，但当这些元件将其反电动势注入包含微控制器、晶体管和传感器等敏感电路的电路时，问题就出现了。消除反电动势是一项非常简单的任务，只需要一个二极管与预计产生反电动势的器件并联即可。需要注意的是，这只适用于直流设置，因为二极管与电感元件并联，但与电感元件的电源电压反向偏置。当电感元件的电源关闭时，反电动势通过二极管，并远离电路中的其他元件。

电路保护产品

虽然分立元件可用于电路保护，但市场上也有一些特定元件集成了专用电路来完成这一任务。让我们回顾几个可用于电路保护的元件示例。

二极管矩阵封装

二极管矩阵封装将多个二极管集成到一个封装中，可用于多种用途。它们更受欢迎的用途之一是保护 USB 连接器的引脚（例如 D+ 和 D-）免受外部静电放电的影响。二极管矩阵封装的例子包括 onsemi 的 NZQA5V6AXV5，它集成了四个具有共同连接的齐纳二极管，以及 Texas Instruments 的 TPD3E001，它集成了七个二极管，专门用于保护 USB 端口以及提供低电容通道。

瞬态电压抑制二极管

这些二极管类型专门针对大电压摆幅，可用于保护单个电路连接以及用作反电动势保护。抑制二极管的一个例子是 Diodes Incorporated 的 SMAJ33A-13-F，它能够耗散 400 W 的峰值功率，具有快速响应时间，并能传导高达 40 A 的峰值电流。抑制二极管的另一个例子是 Vishay 的 5KP100A-E3/54，它的峰值脉冲功率耗散为 5,000 W，因此可以在足够长的时间内保护电路，以便主保险丝/断路器可以断开电源。

自恢复保险丝

可复位保险丝是在短路情况下防止电路损坏的部件。然而，与一旦熔断就需要更换的典型保险丝不同。可复位保险丝不需要更换。这些器件通常属于 PTC 类型，代表正温度系数。可复位保险丝依赖于其温度随着通过它们的电流的增加而增加。温度的升高增加了失控效应中的电阻，这反过来减少了可以流动的电流。

商用 PTC 保险丝的一个例子就是 Littelfuse，RF4573-000。这种汽车级 SMD 保险丝有各种额定电压和电流可供选择。PTC 保险丝的另一个例子是来自 Bel 的 0ZRE0075FF1A。这是一种通孔器件，通常针对电源等功率更大的器件。

结论

虽然有多种可能影响电路的电气损坏机制，但添加正确的电路保护组件和解决方案将有助于提高可靠性。因而提高您正在设计的电子设备和装置的整体性能。