電路保護是一種不費吹灰之力的設(shè)計考慮因素：它是一種類似保險的成本，當(dāng)事情進展順利時很少受到重視;當(dāng)出現(xiàn)問題時，預(yù)計會對預(yù)期甚至難以預(yù)料的事件提供全面保護。設(shè)計人員需要提供與應(yīng)用需求相匹配的電路保護，以防止任何可能對系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生負面影響甚至導(dǎo)致徹底失效的內(nèi)部和外部事件。根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，可能需要在一個或多個或點（包括單個組件），內(nèi)部級之間的互連以及系統(tǒng)外部信號和電源接口上進行保護。

有很多長實施保護的經(jīng)過時間考驗的常規(guī)方法，以及針對某些特定的，日益普遍的保護情況而設(shè)計的新的創(chuàng)新方法和組件。工程師面臨的第一個挑戰(zhàn)是了解他們需要防范的內(nèi)容。其中的擔(dān)憂是：

過電壓（穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)）

過電流，要么剛剛超過適度的保護帶閾值，要么完全短路（再次，

極端溫度（通常過熱，但冷也可能是一個考慮因素）

反向電池連接（通常與汽車相關(guān)）

RFI/EMI引起的瞬變

這些保護問題中的一些是由于內(nèi)部故障引起的，例如當(dāng)電源設(shè)備發(fā)生故障并發(fā)生短路時;其他是由于外部事件造成的，例如電源輸出到地的意外短路或電源軌的元件端子;而其他是大規(guī)模外部問題的結(jié)果，如閃電直接或附近的設(shè)備。此外，一些故障，例如短路電源的輸出，可能是穩(wěn)定狀態(tài)，而一些是瞬態(tài)事件，例如由EMI/RFI引起的故障（盡管它們引起的故障當(dāng)然可能是持久的）。 p》

在大多數(shù)情況下，保護每種產(chǎn)品免受所有可能的故障模式的影響既不實際也不必要。例如，不需要保護消費級智能手機免受直接雷擊，同時需要對飛機電子設(shè)備這樣做。此外，“過量”的范圍可能非常寬：對于手持式電池供電設(shè)備，某些內(nèi)部電路上的過壓可能低于10 V，而對于電源則可能是幾十或幾百伏。

為滿足這些系統(tǒng)的多樣化需求，供應(yīng)商開發(fā)了各種電路保護設(shè)備以及拓撲結(jié)構(gòu)，可充分利用這些設(shè)備。可用的保護器件包括：

基本半導(dǎo)體二極管，包括齊納二極管和肖特基二極管

有源“理想”二極管

基本熔斷鏈保險絲

斷路器

壓敏電阻（也稱為MOV或金屬氧化物壓敏電阻） - “擊穿”并短路超過電壓閾值，然后自復(fù)位

正溫度系數(shù)器件（PTC）電阻在電流閾值以上急劇增加，然后自復(fù)位

瞬態(tài)電壓抑制器（TVS） - 動作就像壓敏電阻，雖然電壓和速度不同

氣體放電管（GDT） - 作用就像壓敏電阻，雖然電壓和速度不同

在某些情況下，電路保護裝置的作用是保護整個系統(tǒng)，而在其他情況下，如果存在外部問題，則“保存”特定的高價值元件（例如功率MOSFET或IGBT）免受損壞。

除了不同的評級和基本功能外，這些保護設(shè)備之間存在重大差異：

其中大多數(shù)是無源的（如二極管），但有些是具有高級功能的有源器件。

有些（如TVS設(shè)備）速度很快，可以在幾毫秒甚至幾微秒內(nèi)完成，而有些則動作較慢，可能需要幾秒鐘的時間才能做出反應(yīng)（可熔連接保險絲），這可能是可以接受的

一些只是一次性使用，必須在執(zhí)行保護功能后手動更換或復(fù)位（與熔斷鏈路或斷路器熔斷），而許多是自動復(fù)位（GDT）;趨勢是盡可能使用后者并且可以接受。

新設(shè)備補充，改進現(xiàn)有解決方案。

長期存在一對汽車相關(guān)情況，現(xiàn)在有越來越嚴(yán)重的后果：反向電池連接和負載突降。當(dāng)有人錯誤地將加號（+）和減號（ - ）電纜連接到汽車中的電池時，可能會發(fā)生前者。幾十年前，當(dāng)汽車沒有電子設(shè)備，除了收音機，甚至儀表板都是機械式的，如果有的話，這種損壞將是微乎其微的。同樣的問題適用于汽車關(guān)閉時發(fā)生的拋負載瞬變，電氣系統(tǒng)和電路中的任何儲存能量突然放電。

然而，這些事件中的任何一個都會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。今天的汽車，包括復(fù)雜的電子產(chǎn)品，包括ADAS（先進的駕駛員輔助系統(tǒng)），包括備用攝像頭，導(dǎo)航，防抱死制動系統(tǒng)（ABS）和防翻滾感應(yīng);高端娛樂系統(tǒng);全球定位系統(tǒng);無線連接;和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，包括以太網(wǎng)。反向連接的電池或負載突降很容易導(dǎo)致許多這些子系統(tǒng)發(fā)生重大，危險和昂貴的故障，特別是因為汽車電池可以輕松地向負載提供數(shù)百安培。

傳統(tǒng)的反向電壓保護解決方案是使用無源半導(dǎo)體二極管來保護每個子系統(tǒng)或電路功能（圖1）。雖然這有效，但該方法有幾個缺點。主要原因是二極管的正向壓降，介于0.3和0.8 V之間，具體取決于二極管類型。這帶來了兩個問題：在低壓系統(tǒng)中，例如汽車和標(biāo)稱12 V電池，即使很小的電壓損失也可能是可用軌道電位的很大一部分;此外，考慮到從電池汲取的高電流，下降轉(zhuǎn)換為功率損耗，低效率，甚至過度的熱耗散，這可能導(dǎo)致二極管發(fā)生故障。數(shù)學(xué)很簡單：使用低壓0.3 V肖特基二極管，適度10 A負載的耗散為30 W.

圖1：防止反向電池和負載突降影響的傳統(tǒng)方法是在電源軌中使用串聯(lián)二極管，但這在電壓降和功耗方面存在嚴(yán)重缺陷。 （來源：德州儀器）

幸運的是，具有智能拓撲的有源器件提供了另一種選擇。德州儀器公司最近推出的LM74610-Q1智能二極管控制器是一種雙端子器件，如二極管，帶有陽極和陰極，帶有集成電荷泵，可為相關(guān)的NFET器件提供柵極驅(qū)動。在正常工作條件下，晶體管導(dǎo)通，因此耗散非常低;此外，沒有靜態(tài)電流，因為沒有接地傳導(dǎo)路徑（圖2）。

圖2：德州儀器（TI）的LM74610-Q1智能二極管控制器采用快速，接近理想的二極管，無耗散，解決了電池/負載的反向問題傾銷困境。它被放置在系統(tǒng)中的每個電路板上，該電路板具有可能受到不利影響的電源軌。 （來源：德州儀器）

LM74610-Q1在電壓反轉(zhuǎn)時的響應(yīng)時間小于8微秒，對于防止拋負載瞬變非常重要，并且可以承受最高45 V的反向電壓，超過汽車所需的過電壓范圍。小巧的8引腳，3 mm×5 mm VSSOP-8封裝對車內(nèi)各種電路板的占位面積影響最小，這也是一個優(yōu)勢。

更短的瞬態(tài)也是一個問題

這不僅僅是設(shè)計人員必須預(yù)見的電源軌問題。由ESD（靜電放電），CDE（電纜放電事件）和EFT（電快速瞬變）引起的短時，高能過壓事件可能會破壞或損壞連接到高速數(shù)據(jù)和傳輸線的敏感組件，甚至在消費類應(yīng)用中，例如USB接口。

為避免這些問題，使用基本的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。 TVS器件不僅必須鉗制過壓事件，而且必須快速完成。它們還必須具有非常小的電容，因此它們不會使數(shù)據(jù)信號失真，從而延長數(shù)據(jù)信號的前沿/下降沿的壓擺時間，從而阻礙正常的高速性能。

例如， Semtech公司的RClamp?1521PQ系列最大電容僅為0.5 pF，因此可用于帶寬高達3 GHz的高速鏈路。每個器件由兩個串聯(lián)的反向連接二極管組成，由于其標(biāo)稱擊穿電壓為20 V（50°C），因此可以保護工作電壓高達15 V的單條數(shù)據(jù)線（圖3）。當(dāng)施加的電壓超過設(shè)計閾值時，其中一個二極管進入反向擊穿模式并鉗位過高的電壓。這些易于使用的單功能組件符合IEC 61000-4-2第4級（±15 kV空氣，±8 kV接觸放電）的ESD抗擾度要求。

圖3：基本TVS的概念很簡單：使用一對背對背二極管;當(dāng)任何一個的反向擊穿電壓超過正或負電壓時，相應(yīng)的二極管將進入擊穿模式并鉗位過大的施加電壓。 （來源：Semtech公司）

這些器件采用單通道，雙引腳封裝，采用1.0×0.6×0.5 mm封裝，引腳間距為0.65 mm，占板面積最小;更大的多通道陣列版本也可用于數(shù)據(jù)線分組。這些TVS單元的響應(yīng)時間很快，正負瞬態(tài)事件的響應(yīng)時間為幾納秒（圖4）。

圖4：Semtech的RClamp?1521PQ系列中的TVS器件顯示對正負尖峰的納秒級響應(yīng)，在發(fā)生任何損壞之前鉗制有問題的電壓。 （來源：Semtech Corp.）點擊此處查看完整尺寸的圖片。

低電壓受到關(guān)注，但更高的電壓會增加作用

在一個單位數(shù)字電壓的世界里操作得到了大部分注意，重要的是要注意數(shù)十伏的高壓設(shè)計仍然至關(guān)重要，特別是在涉及更高功率水平的情況下。由于這個原因和其他原因，MOV供應(yīng)商正在推出其低壓產(chǎn)品系列的更高電壓版本。

Littelfuse，Inc。最近擴展了其LV UltraMOV?壓敏電阻系列，涵蓋14 VDC至56 VDC范圍（浪涌電流額定值高達8 kA，脈沖為8/20μs），可處理65°C的連續(xù)額定電壓VDC至125 VDC，額定浪涌電流額定值高達10 kA（脈沖為8/20μs）。

這些磁盤形設(shè)備（圖5）直徑為5，7，10，14和20 mm，適用于電信電源系統(tǒng)，無線基站，自動化控制，音頻和視頻設(shè)備，安全系統(tǒng)以及火災(zāi)報警系統(tǒng)應(yīng)用。酚醛樹脂涂層選項支持高達125°C的較高工作溫度，而標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧涂層等級為85°C，但其他規(guī)格幾乎相同。

《 p》圖5：Littelfuse公司的盤形LV UltraMOV?壓敏電阻系列支持各種最大鉗位電壓（MOV直徑的函數(shù)）和電流。 （來源：Littelfuse，Inc。）

最大鉗位電壓是MOV直徑的函數(shù)，圖6顯示10 mm系列的電壓與峰值電流，其中曲線圖上的鉗位電壓表示通過后綴“XXP”的后兩位數(shù)（XX）。最大峰值浪涌電流最高可達10 kA，這可能是間接雷擊或系統(tǒng)切換引起的峰值。

圖6：對于10 mm系列，最大峰值電壓與峰值電流的關(guān)系顯示夾持電壓在11到40 V之間;請注意，電流可以達到kA范圍。 （來源：Littelfuse，Inc。）

結(jié)論

實施電路保護的經(jīng)常被低估的任務(wù)包括與電流，電壓和溫度相關(guān)的各種潛在條件，并且可能是內(nèi)部或外部事件的結(jié)果，并作為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)發(fā)生。為了提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo，設(shè)計人員必須首先定義潛在問題的類型和強度，然后選擇一個或多個電路保護組件和相關(guān)技術(shù)。

其中一些已經(jīng)在工程師“工具包”中使用多年，但也有新設(shè)備擴展了舊設(shè)備的范圍，或者提供了新的和創(chuàng)新的有源解決方案和拓撲。這些較新的設(shè)備在應(yīng)對當(dāng)今系統(tǒng)的挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著重要作用，這些系統(tǒng)在尺寸，功率，速度和成本方面的要求越來越廣泛。