基于比較器的過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案（完整版）

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關(guān)鍵詞

過(guò)壓保護(hù) 比較器 閾值 MOSFET 降額系數(shù)

設(shè)計(jì)背景

幾乎所有的電子元器件，特別是半導(dǎo)體芯片對(duì)電壓都是敏感的，也就是說(shuō)當(dāng)前級(jí)電源供給后級(jí)元器件或電路模塊的電壓超過(guò)后級(jí)所允許的最大電壓值時(shí)，后級(jí)器件或電路將無(wú)法正常工作，甚至徹底被損壞。因此，通過(guò)過(guò)壓保護(hù)措施限制供電電壓顯得非常重要。過(guò)壓保護(hù)是指當(dāng)被保護(hù)的電路電壓超過(guò)預(yù)定的最大值時(shí)，使電源斷開(kāi)或使受控設(shè)備電壓降低的一種保護(hù)機(jī)制。

設(shè)計(jì)任務(wù)

直流電源電壓Us變化范圍為12V～36V，負(fù)載（Load）最大工作電壓為30V（Voltage<=30V），如果電源直接供給負(fù)載，那么負(fù)載將不能正常工作或被損壞（圖1）。

圖1.電源電壓與負(fù)載電壓不匹配

設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)壓保護(hù)電路，當(dāng)電源電壓大于等于30V時(shí)，受控開(kāi)關(guān)關(guān)斷，切斷電源對(duì)負(fù)載的供電，以保護(hù)負(fù)載不因過(guò)壓而損壞。當(dāng)電源電壓小于30V時(shí)，受控開(kāi)關(guān)閉合，電源對(duì)負(fù)載正常供電，且要求受控開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通壓降盡可能?。▓D2）。

圖2.以受控開(kāi)關(guān)保護(hù)負(fù)載

電路拓?fù)錁?gòu)思

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)中的設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖描述，設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是具體實(shí)現(xiàn)受控開(kāi)關(guān)（controled switch）的條件動(dòng)作，另外為了不影響電源的利用效率，考慮用高輸入電阻的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)受控開(kāi)關(guān)的功能，使電源和負(fù)載不被旁路分流，比如利用比較器驅(qū)動(dòng)MOS管來(lái)控制電路的通斷。值得一提的的是，MOS管飽和導(dǎo)通后，漏源極（DS）之間的壓降及損耗很小，保證電源電壓幾乎無(wú)損失地供給負(fù)載。下面開(kāi)始逐步構(gòu)造電路：

1. 以MOS管為受控開(kāi)關(guān)

P溝道MOS管的阻尼二極管正極端連漏極（D），二極管負(fù)極連源極（S），要使MOS不至于無(wú)控導(dǎo)通，源極（S）必須接電源Us的正極。

圖3.以MOSFET為受控開(kāi)關(guān)

2. 比較器控制MOS管

比較器的輸入電阻極高，對(duì)電源及負(fù)載影響很小。

圖4.比較器控制MOSFET

3.比較器基準(zhǔn)電壓

通過(guò)齊納二極管Z1給比較器反相端提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，電阻R1使Z1有合適的反向擊穿電流，使其工作于穩(wěn)壓區(qū)域。

圖5.比較器基準(zhǔn)電壓

4.電阻分壓檢測(cè)電源電壓

通過(guò)電阻R2和R3對(duì)電源電壓Us進(jìn)行分壓，送給比較器同相端，此電壓與反向端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，同相端電壓大于反相端電壓時(shí)（通過(guò)選擇合適的R2，R3分壓電阻，可使壓差避開(kāi)比較器線性區(qū)），比較器輸出高電平（軌對(duì)軌滿幅電壓），P溝道MOS管Q1截止，斷開(kāi)電源Us對(duì)負(fù)載Load的供電。相反的，當(dāng)同相端電壓小反相端電壓時(shí)，Q1導(dǎo)通，電源向負(fù)載正常供電。

圖5.電阻分壓檢測(cè)電源電壓

5. 限定柵源（GS）電壓

MOS管有最大柵源電壓的要求，如果實(shí)際的Ugs大于這個(gè)最大值，MOS管將會(huì)過(guò)壓損壞，所以，應(yīng)限定Ugs。這里采用穩(wěn)壓二極管Z2來(lái)實(shí)現(xiàn)限幅，電阻R4給Z2提供合適的電流，使其工作在反向擊穿穩(wěn)壓區(qū)。

圖6.限定柵源（GS）電壓

元件選型定參

圖7.電路拓?fù)涠ㄐ?/p>

1. 選擇比較器

在專業(yè)半導(dǎo)體網(wǎng)站（TI、NXP、NI、Maxim、Microchip等）或綜合電子器件數(shù)據(jù)手冊(cè)網(wǎng)站（比如www.alldatasheet.com）輸入關(guān)鍵詞comparator rail to rail high voltage（軌對(duì)軌高壓比較器）搜索常用的比較器。根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求及搜索出的各種比較器的性能參數(shù)差異，最終選擇具有推晚輸出級(jí)，能夠在最高可能電源電壓下工作的高電壓比較器TLV1805，其主要特性如下：

（1）3.3V至40V電源（滿足Us=12~36V的要求）；

（2） 低靜態(tài)電流135uA，這么小的靜態(tài)電流不影響被控主回路的效率；

（3） 輸入偏置電流0.05pA；

（3）軌對(duì)軌高峰值電流推挽輸出，配合穩(wěn)壓限幅電路（Z2和R4）足以滿足MOS管的驅(qū)動(dòng)要求；

（4）關(guān)斷后具有高阻態(tài)輸出，對(duì)被控主回路影響很??；

（5）SOT-23-6封裝，小尺寸6腳貼片安裝。

2.選擇MOS管（電路拓?fù)湟堰xP溝道）

選擇MOS管時(shí)，主要考慮柵源電壓（Ugs，通常約為20V）、漏源電壓（Vds，此設(shè)計(jì)為36V）、漏極持續(xù)電流Id。在本設(shè)計(jì)中，假設(shè)電源最大輸出電流為100mA（舉例而已，其它電流下的設(shè)計(jì)方法類似），為方便計(jì)算又不失可靠性，所有參數(shù)的降額系數(shù)取0.7~0.8，則所選MOS的參數(shù)要求如下：Ugs=20V，Vds=36/0.7=51V（選50V），Id=100/0.8=125mA，盡量選擇貼片封裝。在www.alldatasheet.com的description選項(xiàng)中搜索關(guān)鍵詞P-channel 50V 125mA SOT， 經(jīng)過(guò)對(duì)比篩選確定使用LBSS84LT1，參數(shù)如下表：

表1.MOS管LBSS84LT1主要特性

3. 確定比較器基準(zhǔn)電壓

確定過(guò)壓檢測(cè)電路相應(yīng)基準(zhǔn)電平，選擇低于電源最低工作電壓范圍的基準(zhǔn)電壓，作為比較器的比較基準(zhǔn)，由于電源的最低工作電壓為12V，可選擇10V的齊納二極管Z1作為比較基準(zhǔn)（Vref），盡量選擇小功率（小穩(wěn)定電流），小貼片封裝的穩(wěn)壓管，可選ZMM10，封裝為SOD-80，穩(wěn)定工作電流為5mA~33mA。ZMM系列穩(wěn)壓管的伏安穩(wěn)壓特性如下圖（本是坐標(biāo)系第三象限反向擊穿特性，為方便看圖，故意畫到坐標(biāo)系第一象限）：

圖8.ZMM系列穩(wěn)壓管伏安特性

4. 計(jì)算Z1的限流電阻R1的阻值

電源電壓Us為12V時(shí)，取最小穩(wěn)定電流5mA時(shí)，R1=（12-10）/0.005=400Ω，取最大穩(wěn)定電流33mA時(shí)，R1=（36-10）/0.033=788Ω，由于電源Us變化范圍很寬（12~36V），應(yīng)使Z1在此電壓變化范圍內(nèi)都能穩(wěn)壓，可取R1=1k。校驗(yàn)：在此阻值下，當(dāng)Us=12V，通過(guò)Z1的電流Iz1=(12-10)/1=2mA（比5mA稍小，也可以勉強(qiáng)穩(wěn)壓），當(dāng)Us=36V時(shí)，Iz1=(36-10)/1=26mA<33mA，符合要求。

5. 計(jì)算R1的功率

核算R1的功率P=Iz12×R1=0.0262×1000=0.676W，功率降額系數(shù)?、蚣?jí)的0.6，于是P=0.676/0.7=1W，盡量采用貼片電阻，而1W功率對(duì)應(yīng)的封裝為2512，電阻誤差精度對(duì)穩(wěn)壓管工作影響很小，可取電阻精度為5%。貼片電阻封裝與功率及耐壓對(duì)照如下表：

表2.貼片電阻封裝與功率及耐壓對(duì)照表

R1耐壓校核：前述R1封裝選定為2512，耐壓高達(dá)200V，遠(yuǎn)大于Us的最大值36V，不言而喻R1滿足耐壓要求。

6.計(jì)算（R2,R3）電阻分壓器的分壓比

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)電阻的離散性，直接“死算”分壓器阻值是很麻煩的事，現(xiàn)在有了離線或在線的小軟件可以讓分壓電阻計(jì)算的過(guò)程變得簡(jiǎn)單高效。個(gè)人比較喜歡TI公司的分壓計(jì)算器（Voltage Divider Calculator），其鏈接為
http://www.ti.com/download/kbase/volt/volt_div3.htm。在本設(shè)計(jì)中，為使電源Us升至30V的目標(biāo)閾值過(guò)電壓（Vover）時(shí)，比較器的同相輸入（連電阻分壓點(diǎn)）超過(guò)基準(zhǔn)電壓Vref（10V）。如下圖所示：

圖9.分壓設(shè)計(jì)圖

也就是說(shuō)，分壓器輸入電壓為30V，輸出為10V，設(shè)計(jì)時(shí)盡量選用E24系列的1%精密電阻（為增加比較器的比較精度，分壓器必須用精密電阻）。另外，考慮到電源輸出100mA，負(fù)載Load允許電壓的30V，故負(fù)載阻抗為30V/100mA=300Ω。為使電源Us的大部分電流流向負(fù)載Load，而不至過(guò)多分給分壓器，R2，R3盡量取大些（也不能太大，超過(guò)1MΩ可能會(huì)引入意想不到的電噪聲，而且阻值太大或太小的電阻易壞），可使R2+R3支路分得的電流在0.1mA以下（相對(duì)于主回路100mA很小，幾乎可以忽略），于是R2+R3=36V/0.1mA=360k（接近360k,至少300k以上），此外由前述可知比較器TLV1805的輸入偏置電流僅有0.05pA，比R2，R3分壓器支路的0.1mA小了2百萬(wàn)多倍，而一般要求分壓支路電流為比較器輸入偏置電流的100倍以上，顯然符合電流對(duì)比要求。由以上分析可知，分壓計(jì)算器（Voltage Divider Calculator）的輸入電壓（Enter Input Voltage）設(shè)定為30（單位V省略），輸出電壓（Enter Desired Output Voltage）設(shè)定為10（單位V省略），電阻選擇系列（Select Resistor Sequence）設(shè)定為熟悉的E24，電阻比例尺度（Select Resistor Scale）設(shè)定為100000（即100k，這是為了滿足前述的R2+R3≥360k），設(shè)定完后，點(diǎn)擊Calculate，得到下面的結(jié)果：

圖10.TI分壓器計(jì)算計(jì)算結(jié)果

圖11.TI分壓器計(jì)算參考圖

選擇計(jì)算結(jié)果的第一項(xiàng)（Choice 1），最終本設(shè)計(jì)的R2=200000=200k，R3=100000=100k，精度都為1%。

7.電阻功率計(jì)算：經(jīng)過(guò)分壓器的最大電流為36V/(R2+R3)=36/(200+100)= 0.12mA ，R2功率0.122×200=2.88mW，?、窦?jí)降額系數(shù) 0.5，于是R2功率為2.88/0.5=5.76mW=0.00576W，這個(gè)功耗比0201封裝的1/20W=0.05W小了將近10倍，因此任何封裝的貼片電阻都能滿足功率要求。R3/R2=100/200=1/2，二者是串聯(lián)關(guān)系，因此功率比也為1/2，于是R3的功率僅為R2功率的一半，即1.44mW，更加滿足功率要求，連0201封裝都能滿足。

耐壓計(jì)算：R2分壓為36×[R2/(R2+R3)]=36×（200/300）=24V，耐壓降額系數(shù)取0.5，最終耐壓為24/0.5=48，而0402及0603的耐壓都為50V，都能滿足耐壓要求，但是0402焊接工藝比較復(fù)雜，最終考慮選擇0603；R3的分壓為36-24=12V<50V，也滿足耐壓要求，為了與R2的封裝保持一致，也選0603。

綜合以上分析：R2為200k 1% 0603，R3為100k 1% 0603。

8. 穩(wěn)壓管Z2選型

圖12.場(chǎng)管GS限壓

為防止MOS管損壞，應(yīng)限制柵源極電壓（Vgs），而P溝道MOS管通常具有20V的Vgs最大值，取降額系數(shù)為0.8，那么Z2的穩(wěn)壓值選為20×0.8=16V，盡量選擇小功率（小穩(wěn)定電流），小貼片封裝的穩(wěn)壓管，可選ZMM16，封裝為SOD-80，穩(wěn)定工作電流為5mA~20mA。

8.計(jì)算Z2的限流電阻R4的阻值

電源電壓Us為閾值電壓30V時(shí)，比較器輸出低電平，相當(dāng)于R4下端接地，取最小穩(wěn)定電流5mA，于是R4=（30-16）/0.005=2800Ω，取最接近標(biāo)準(zhǔn)電阻2.7k。由于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定工作電流范圍很寬，電阻的精度不影響穩(wěn)壓，可取一般精度5%。特別地，在Us=12V時(shí)，比較器同相端電壓為12×[100/(100+200)]=4V，反相端電壓為10V，于是同相端電壓小于反相端電壓，軌到軌比較器輸出滿幅電壓12V，即R4下端接4V電壓，而Z2負(fù)端電壓為12V，顯然壓差12-4=8V<16V，且8V<<20V，既不足以使Z2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)，也不足以使MOS管截止，因此12V可直送給負(fù)載。

9.計(jì)算R4的功率

R4=2.7k，通過(guò)的電流為5mA，功率為52×2.7=67.5mW，功率降額系數(shù)取Ⅱ級(jí)的0.6，R4功率取67.5mW/0.6=112.5mW=0.1125W，該功率值小于且最接近0805封裝的1/8W (0.125W)，因此R4電阻選用0805封裝。

10.R4耐壓校核

0805封裝電阻的耐壓高達(dá)150V，而電源Us最大值為30V，因此無(wú)論如何0805封裝的R4都滿足耐壓要求。

最終，R4定為：2.7k，5%，0805。

至此，本設(shè)計(jì)所有元件的選型定參完畢，各元件參數(shù)如下面的原理圖所示：

圖13.完整設(shè)計(jì)原理圖

仿真驗(yàn)證

電路拓?fù)浜驮x型定參結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證有兩種方式：實(shí)物驗(yàn)證（洞洞板或面包板搭接驗(yàn)證、PCB開(kāi)板試制），仿真驗(yàn)證（Proteus，Pspice，Saber，Multisim，Matlab等）。小規(guī)模電路用仿真驗(yàn)證比較經(jīng)濟(jì)，本設(shè)計(jì)使用Saber進(jìn)行仿真驗(yàn)證。使用Saber的analyses(分析)功能的DC Transfer Analysis（直流傳輸分析）功能進(jìn)行掃描分析，如下圖所示：

圖14.進(jìn)入saber sketch的DC Transfer Analysis

設(shè)置參數(shù)：獨(dú)立電源從12V到36V，步長(zhǎng)0.2V，采樣密度0.2，如下圖所示：

圖15.掃描參數(shù)設(shè)置

點(diǎn)擊上圖的OK按鍵，經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間的運(yùn)行，輸出下面的仿真結(jié)果：

圖16.仿真輸出波形

雙擊上面的輸出波形，得到示波器顯示的細(xì)觀波形：

圖17.輸出細(xì)觀波形

結(jié)論：電源電壓從12V逐步增加到36V（橫坐標(biāo)），過(guò)壓保護(hù)電路在電源電壓小于30V時(shí)，原樣輸出；當(dāng)電源電壓超過(guò)30V時(shí)，MOS管快速截?cái)嚯娫磳?duì)負(fù)載的供電（30V~30.2V為過(guò)渡過(guò)程）。至此，設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)任務(wù)的所有要求。

參考資料

《GJB/Z 35-93元器件降額準(zhǔn)則》，《新概念模擬電路》，www.alldatasheet.com網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊(cè)。

設(shè)計(jì)后記

真正的設(shè)計(jì)，哪怕是成熟的、簡(jiǎn)單的單元設(shè)計(jì)，一定要經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程：電路拓?fù)錁?gòu)思、元件選型定參數(shù)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證，絕對(duì)不是生搬硬抄、無(wú)頭無(wú)尾、無(wú)根無(wú)據(jù)、語(yǔ)焉不詳。這是我今后寫設(shè)計(jì)文檔的基本要求。