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使用齊納二極管的過電壓保護電路

每個電路設計都在不同的電壓電平下運行，數字電路最常見的電壓電平是 3.3V、5V 和 12V。但是每一種設計都是獨一無二的，而且一個電路具有多個工作電壓也是很常見的。例如，一個典型的計算機 SMPS 系統可以在六個不同的電壓電平下運行，即 ±3.3V、±5V 和 ±12V。不同的電壓電平將用于為不同類型的組件供電，在這些情況下，如果低功率組件使用高電壓供電，該組件將永久損壞。因此，設計人員應始終專注于在其設計中實施過壓保護電路，以防止過壓損壞。 任何元器件或電路都會有三種不同的電壓額定值，即最低工作電壓、推薦或標準工作電壓和最高工作電壓。任何高于最大工作電壓的值對于任何電路或組件都可能是致命的。一種非常常見且具有成本效益的解決方案是使用齊納二極管過壓保護電路。

齊納二極管 - 基礎知識

齊納二極管大多是保護電路免受過壓條件影響的首選。齊納二極管遵循與二極管相同的原理，即阻止電流反向流動。但有一個限制，即齊納二極管僅在齊納二極管額定電壓指定的有限電壓下阻止電流反向流動。具體來說，一個 5.1V 的齊納二極管會阻止電流反向流動，最高可達 5.1V。如果齊納二極管兩端的電壓超過 5.1V，則允許電流通過。齊納二極管的這一特點使其成為過壓保護的優良元件。

如何保護電路免受過壓?

考慮下圖，我們需要微控制器的過電壓保護。微控制器可以是任何在 IO 引腳上具有最大 5V 額定值的東西。因此，超過 5V 可能會損壞微控制器。

上述電路中使用的齊納二極管為5.1V穩壓二極管。它會在過壓情況下正常工作。如果電壓大于 5.1V，齊納二極管將通過電流并控制電壓高達 5.1V。但低于 5.1V，齊納二極管將像普通二極管一樣工作并阻斷 下圖是spice 上齊納二極管 保護電路的仿真。您可以查看本頁底部的視頻，了解完整的模擬說明。

上面的原理圖有一個輸入電壓，它是 V1。R1 和 D2 是保護輸出免受過壓保護的兩個組件。在這種情況下，D2、1N4099 是一個 6.8V齊納二極管。如果 V1 超過 6.8V，輸出將受到保護。由于 1N4099 的 6.8V 參考電壓，輸出將保持最大 6.8V。 讓我們看看上述電路如何充當齊納二極管輸入保護電路并保護輸出免受超過 6.8V 的電壓影響。

上面的電路是使用cadence pspice模擬的。在 V1 上的 6V 輸入電壓期間，輸出保持恒定在 5.999V(即 6.0V)。

在上述仿真中，輸入電壓為 6.8V。因此，輸出為 6.785V，接近 6.8V。讓我們進一步增加輸入電壓并產生過壓情況。

現在，輸入電壓為 7.5V，高于 6.8V。現在輸出仍然是 6.883V。這就是齊納二極管如何有效地將連接的電路從過壓情況中拯救出來，而且當電壓回到低于 6.8V 時，電路將再次正常工作，如上一步所示。這意味著，與保險絲不同，齊納二極管即使在過壓情況下也不會損壞。 在上述電路中，可以使用3.3V、5.1V、9.1V、10.2V等不同值的任何其他齊納二極管來選擇不同的過壓裕度。

如何選擇用于過壓保護的齊納二極管?

下一個重要部分是選擇齊納二極管值。以下幾點將幫助您為齊納二極管選擇正確的值和零件號。 1.首先，選擇齊納二極管的電壓。這是齊納二極管將充當閉合電路并保護負載免受過壓影響的電壓值。對于 Pspice 中的上述示例，齊納電壓為 6.8V。 在某些情況下，目標齊納二極管電壓不可用。在這種情況下，可以選擇接近值的齊納二極管。例如，對于高達 7V 的過壓保護，6.8V 齊納二極管是一個接近值。 2. 計算連接在過壓保護電路兩端的負載電流。對于我們上面討論的示例，它是 50mA。除了負載電流，齊納二極管還需要偏置電流。因此，總電流應等于負載電流加上齊納二極管偏置電流。對于上面討論的例子，它可以是

總電流 = 50mA + 10mA = 60mA 3. 齊納二極管具有額定功率。因此，適當的散熱需要適當的額定功率齊納二極管。額定功率可以根據步驟 - 2 中計算的總電流(60mA)計算得出。因此，齊納二極管的額定功率等于齊納二極管的電壓，與流過二極管的總電流有關。 對于我們上面的例子，額定功率 = 6.8V x 0.060 = 0.408 瓦。 因此，一個 500mW 的齊納二極管就足夠了。 4.通過微分源電壓和一般電壓來計算電阻值。源電壓將是可以施加到電路的最大值。例如，可能發生或可以作為電源電壓施加的最大過電壓可以是 13V。 因此，電阻兩端的電壓降將為 = 13V-6.8V = 6.2V 根據歐姆定律，電阻值將為 = 6.2V / 0.060 A = 103R 可選擇標準值 100R 電阻。

齊納過壓保護電路——優點和缺點

使用齊納二極管的 OVP 保護是保護設備免受過壓影響的最簡單的過程。在這種技術中，電壓保持穩定，與其他方法相比，該電路的成本非常低。 但是，當然，這種類型的電路有缺點。這種電路的主要缺點是功耗。由于連接了串聯電阻，它總是散發熱量并導致能量浪費。?

?　　是一個正負強烈震蕩的強干擾信號。其中正向干擾達到了35V，負向干擾達到了-15V!太恐怖了!持續時間長達700ns!難怪連國外老牌MCU，都抗不住!大多數國產MCU，也是一擊即死機!

審核編輯：湯梓紅