过保护电路

⑴ 过压保护电路在显示器电路中的应用分析

过压保护(OVP)器件数据资料中提供的典型电路可以满足大多数应用的需求(图1)。然而，有些应用需要对基本电路进行适当修改。本文讨论了两种类似应用：增大电路的最大输入电压，在过压情况发生时利用输出电容存储能量。

图3. 通过三极管缓冲器增大输入电压的过压保护电路

⑵ 如何设计过压保护电路

过压保护电路的作用是：若开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出电压超过设计阈值时，为保护后级用电设备防止损坏，将输出电压限定在安全值范围内。

本篇博文将从省钱省心的TVS管和可靠高效电路设计两个方法介绍如何快速设计过压保护电路。

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬态电压抑制器，也被称为雪崩击穿二极管，是一种二极管形式的高效能保护器件。

TVS管有单向与双向之分，单向TVS管一般应用于直流供电电路，双向TVS管应用于电压交变的电路。

例如，单向TVS管应用于直流电路时，如下图所示。当电路正常工作时，TVS 处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。 当电路出现异常过电压并达到TVS（雪崩）击穿电压时，TVS 迅速由高电阻状态突变为低电阻状态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压钳制在较低的水平，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。 当异常过电压消失后，TVS 阻值又恢复为高阻态。

选用TVS管有以下几点重要参数：

选用TVS管关键指标

(1) Vrwm截止电压

TVS 的最高工作电压， 可连续施加而不引起TVS劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。 对于交流电压，用最高工作电压有效值表示，在 Vrwm下，TVS 认为是不工作的，即是不导通的。电路设计时最高工作电压必须小于Vrwm，否则将会导致TVS动作导致电路异常。

(2)  IR漏电流

漏电流，也称待机电流。 在规定温度和最高工作电压条件下，流过 TVS 的最大电流。 TVS的漏电流一般是在截止电压下测量，对于某一型号 TVS, IR 应在规定值范围内。对 TVS两端施加电压值为Vrwm，从电流表中读出的电流值即为TVS的漏电流IR 。对于同功率和同电压的 TVS，在Vrwm≤10V 时，双向TVS 漏电流是单向 TVS 漏电流的 2 倍。对于一些模拟端口， 漏电流会影响AD的采样值，所以TVS的漏电流越小越好 。

(3)  VBR击穿电压

击穿电压，指在 V-I 特性曲线上，在规定的脉冲直流电流It或接近发生雪崩的电流条件下测得 TVS 两端的电压。测试的电流It一般选取10mA左右，施加的电流的时间不应超过400ms，以免损坏器件，VBR MIN 和 VBR MAX 是 TVS 击穿电压的一个偏差，一般 TVS 为±5%的偏差。测量时，VBR 落在VBR MIN和VBR MAX之间视为合格品。

(4)  IPP峰值脉冲电流 ，VC钳位电压

峰值脉冲电流，给定脉冲电流波形的峰值。TVS一般选用 10/1000μs 电流波形。钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流 I PP 时，TVS 两端测得的峰值电压。IPP及VC是衡量 TVS 在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流及限制电压能力的参数，这两个参数是相互联系的。对于 TVS 在防雷保护电路中的钳位特性，可以参考VC这个参数。对于相同型号TVS，IPP越大，耐脉冲电流冲击能力越强，若在IPP相同下的VC越小，说明TVS的钳位特性越好。

(5) 结电容Cj

结电容是TVS中的寄生电容，在高速IO端口保护需要重点关注， 过大的结电容可能会影响信号的质量。

选用TVS管，有三个要点需要注意：

电压合适能保护后级电路；

引入的TVS的结电容不能影响电路；

TVS功率余量充足，满足测试标准，且不能比保险管先挂。

选型的过程可以按照以下的思路步骤进行：

选择TVS最高工作电压Vrmw；

选择TVS钳位电压VC；

选择TVS的功率；

评估漏电流Ir的影响；

评估结电容的影响。

具体说明如下所示：

(1) 选择TVS最高工作电压Vrmw

在电路正常工作情况下，TVS应该是不工作的，即处于截止状态，所以 TVS 的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证 TVS 在电路正常工作下不会影响电路工作。但是 TVS 的工作电压高低也决定了 TVS 钳位电压的高低，在截止电压大于线路正常工作电压的情况下，TVS 工作电压也不能选取的过高，如果太高，钳位电压也会较高，所以在选择 Vrwm 时，要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。要求Vrwm要大于工作电压，否则工作电压大于Vrwm会导致TVS反向漏电流增大，接近导通，或者雪崩击穿，影响正常电路工作。

Vrwm可以参考以下的公式：

Vrwm≈1.1~1.2*VCC（其中VCC为电路的最高工作电压）

(2) 选择TVS钳位电压VC

TVS 钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，VC与TVS的雪崩击穿电压及IPP都成正比。对于同一功率等级的 TVS，其击穿电压越高VC也越高，所选TVS的最大箝位电压VC不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则，当TVS钳在VC时会对电路造成损坏。

Vc可以参考以下的公式：

VC＜Vmax（其中Vmax为电路能承受的最高电压）

(3) 选择TVS的功率Pppm（或者Ipp）

TVS产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，理论上，TVS的功率越大越好，能够承受更多的冲击能量和次数，但是功率越高，TVS的封装越大，价钱也越高，所以，TVS的功率满足要求即可。对于不同功率等级的 TVS，相同电压规格的 TVS 其 V C 值是一样的，只是 I PP 不同。故 Pppm 与 Ippm成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。对于某一电路 ，有对应的测试要求，设实际电路中的最大测试电流为 Iactual ，则 Iactual 可估算为：

Iactual=Uactual/Ri（Uactual为测试电压，Ri为测试内阻）

TVS 要通过测试，故实际电路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P actual 为：-------其中di/dt为波形转换系数，如实际测试波形为其他波形，如 8/20μs波形，建议di/dt取，如测试波形为 10/1000μs，取，实际选型中，TVS 应留有一定的裕量，TVS 的功率PPMP 选择应遵循Pppm＞Pactual。

(4) 根据所选的TVS的结电容和漏电流评估影响

若TVS 用在高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合，就需要考虑结电容和漏电流的影响，两则的参数越小越好。

选型举例

例如：电路的正常工作电压VCC是24V，最高工作电压Vmax是26V，后级电路可承受的最高瞬态电压为50V，实验的测试波形为 8/20μs波形，测试电压500V，测试电源内阻及PPTC的静态电阻合计为2Ω。根据上述信息选择合适的TVS。

(1) 选择TVS最高工作电压

Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

(2) 选择选择TVS钳位电压

VC＜Vmax=50V

(3) 计算实际测试波形功率：

Pact=50*（500/3）*1/2=4166W

根据计算结果，可以选用5.0SMDJ26A这个TVS，由于这个TVS用在电源端口，结电容和漏电流可根据具体实际电路选用。

5.0SMDJ26A TVS关键参数

当设备的端口的工作电压超过了TVS的最高击穿电压（VBR MAX），TVS可以看成一个低阻抗的电阻，流过的电流非常大，电阻不断发热，如果没有其他措施，这个TVS很快就会挂掉，失效的TVS大概率变成了开路，后级的电路仍然处于没有保护之中。 所以最好在TVS前面加一个保险管，在TVS挂掉前，保险管先失效断路，就可以保护TVS和后级电路，如果换成自恢复保险管，故障排除后就可以自行恢复正常工作。

TVS用于防止过压保护的工作原理

如下图所示是RS485的过压保护电路，RS485芯片的工作电压一般是5V，能够承受的极限电压一般是12V。通常设备的工作电压一般是12V或者24V，如果误将24V电源电压接到RS485A-B线上且没有过压保护，大概率RS485芯片会物理损坏。 TVS管专门用于瞬间过压保护 ，无法应付长时间的过压，不到0.5STVS就会因过热烧毁，后级电路就会失去保护。

如果在TVS的前面增加自恢复PTC，且PTC的跳闸时间足够短，并且TVS的钳位电压Vc＜电路最高工作电压VCC，在TVS烧毁之前PTC跳闸，就可以实现后级电路的保护。 

TVS管和自恢复PPTC配合使用时的计算思路过程如下所示：

(1) 保护实现的前提条件

当外加电压达到TVS的击穿电压时，TVS开始导通，阻抗变低，流过的电流不断增大。随着电流的不断增大，PPTC的阻抗不断增大，不断发热，最终PPTC变成断路失效，整个后级电路得以保护。所以要实现电路保护，需要2个前提：

TVS的功率足够大，大到可以坚持到PPTC断路；

PPTC的动作时间要足够小，小到要在TVS失效前动作。

(2) PPTC选型

用于过压保护时，PPTC的选型需要满足以下几个条件：

持续电流Ihold＞电路最大工作电流 Iwork；

最大动作时间Trip越短越好，如 SMD1812B020TF，当通过 PPTC 的电流为 8A 时，PPTC 的动作时间应不大于 0.02s；

最大过载电流Imax，工作温度范围内 PPTC不能超过的电流值，超过PPTC很大概率会永久性损坏；

最大工作电压Vmax，工作温度范围内PPTC不能超过的最大工作电压值，超过PPTC很大概率会永久性损坏。

(3) TVS选型

TVS的选型要求如下：

参照：上述1.2、TVS管选型小节；

计算TVS可承受最大的热量Qtvs=P*t=P/1000（规格书给出的一般是1000uS下的功率，除以1000是转换为单位S）。

计算所选的TVS实际的工作热量：

Qact=Vc*Itrip*Tptc（Vc：TVS的钳位电压；Itrip：PTC保险的跳闸电流；Tptc：跳闸电流下的跳闸时间。）

TVS的可承受热量实际选型Qtvs＞理论计算Qact；

电路设计举例

如下图所示，PTC和TVS配合用于RS485过压保护，设备的供电电压是24V，RS485芯片选用MAX488，正常工作电压5V，最高可承受12V，正常工作电流＜1mA，选择合适的PTC和TVS。

PTC和TVS配合用于RS485保护

(1) PTC选型

由于RS485的工作电流非常小，PTC电流选择最小的即可，关键参数是跳闸时间Trip，Trip越小越好，越小跳闸时间越短，对TVS的功率要求越低，封装越小，成本越低。经过选型，SMD1812B020TF电流和电压满足要求，跳闸时间Trip是最短的，为0.02S。

(2) TVS选型：

TVS电压选型

由于RS485的工作电压VCC为5V，极限电压为12V，因此TVS的工作电压Vrwm≥5V，钳位电压≤12V；可以预选SMBJ5.0A。Vrwm=5V，Vc=9.2V。

TVS的功率选型

a. 估算实际TVS需要承受的热量

假设TVS工作在最大钳位电压，流过的电流为保险管的跳闸电流：

Qact=P*t=U*I*t=Vc*I trip*Tptc=9.2V*8*0.02S=1.472J

b. 估算实际TVS的实际功率

由于厂家给出的TVS测试的功率都是在1us的脉冲宽度下测量的，因此需要将上述的估算的热量折算为1uS时对应的TVS的功率。

Ptvs＞Qact/1us=1.472J/1us=1472W

换算成峰值电流为：Ipp=P/Vc=1472W/9.2V=160A

因此，最终TVS选择Vc=9.2V，Ipp=163的SMCJ5.0A。

有的朋友认为上述的计算过程没有降额，实际上上述的计算过程基本都是按照极端的情况，忽略了PTC随着温度升高的电阻指数型增加，PTC上的电阻会分担很大一部分电压，到后期PTC濒临断路，TVS的承受压降几乎为零。因此不但不用降额，甚至TVS的功率可以选择乘以实际计算的0.5~0.8系数。

TVS用于过压保护存在两个局限性：小信号和低速。

(1) 小信号问题

小信号比较好理解，我们电路用的是正常电流0.2A的PTC，但是选用的是160A的TVS，比例接近800倍，不可想象，如果用一个2A的PTC电源端口，TVS的功率需要超过15KW，售价接近10元，这个成本几乎是没人能接受的。

由于PTC是自恢复，故障去除后又可以正常工作，避免了频繁更换的烦恼，但是PTC的跳闸时间较长，同等是0.2A的玻封保险管，电路达到8A的时候，几乎是10ms以内就可以跳闸，而PTC最短是200ms，这就导致了TVS的功率必须选得更大，以坚持到PTC跳闸（PTC要比TVS先失效才能起保护作用）。

(2) 低速的问题

一般的TVS的结电容为几十pF到数百pF，同功率等级，TVS电压越低，结电容越大，在小信号端口使用的功率TVS，除非是低电容的TVS，常规的功率TVS结电容都会在几十pF，因此小信号的速率不能过高，最好不要超过1Mbps。

(3) 精确度问题

上文提到的计算过程基本都是估算的，这是因为TVS和PTC属于电压和电流敏感型器件，失效模式都是热失效，细心的朋友会发现，厂家的TVS手册提供的电压、电流、温度等关系，都是给出一个大概的曲线图，都没有给出精确的计算公式。

本文计算时虽然使用了精确的公式，但是都是极端情况下的，实际选用的TVS可以比计算值乘以系数0.5~0.8问题都不大，具体以实物测试为准。例如上例计算选择160A的TVS，实测使用100A的也能满足要求。

简单的过压保护电路一般加个TVS可以实现，当外部有瞬间高能量冲击时候它能够把这股能量抑制下来，虽然功率高，上千W都可以，但是维持抑制的时间很短很短， 万一器件损坏或者长时间工作电压高于正常工作电压的时候，就力不从心了。

所以最好的办法是设计一个智能电路了，如下所示：

Vin正常输入电压时，稳压管没有反向击穿，R3，R4电流基本为0。PNP三极管的Vbe=0，即PNP三极管不导通。PMOS管Q4的Vgs由电阻R5，R6分压决定，PMOS管导通，即电源正常工作。

当Vin输入大于正常输入电压，此时Vin>Vbr，稳压管被击穿，其上电压为Vbr。PNP三极管Q1导通，VCE≈0，即PMOS管的Vgs≈0，PMOS管不导通，电路断路，即实现了过压保护。

若精度要求高，当然也可选用电压检测IC，实现电压监测。

⑶ 过压保护电路的方法是什么

为避抄免因各种原因引起的输出电压升袭高，而造成负载电路的元件损坏，一般都设置过压保护电路。

方法有多种，可以在输出电压和地之间并联晶闸管（又称可控硅，SCR），一旦电压取样电路检测到输出电压升高，就会触发可控硅导通，起到过压保护的功能，也可以在检测到输出电压升高时，直接控制开关管的振荡过程，使开关电源停止工作。

⑷ 过流保护电路的方法是什么

为了避免开关管因负载短路或过重而过流损坏，开关电源必须具有过流保护功能。最简单的过流保护措施是在线路中串入保险管，在电流过大时，保险管熔断，从而起到保护的作用。另外，在整流电路中常接有限流电阻，一般采用功率很大的水泥电阻，阻值为几欧，其能起一定的限流作用。

⑸ 过流保护电路

D5 D6 D7都是过流保护，是当其前面有短路现象时，后面的电解电容放电引起稳压块内部的调整管子损坏。过压保护：可控硅Q1\Q2平时截止，当输出电压较高时，高出的部分主要体现在R4\R6上，也就是R4 R6上的电压上正下负会增大，从而使Q1Q2导通，将输出电压短路，负载上的电压近似为0V了，防止输出电压加到负载上，从而起到保护负载的作用。

⑹ 开关电源过电流保护电路

通过检测原边电流，短路时电流增加触发保护垫，控制芯片控制PWM输出占空比减小到0实现输出关断。 知道下一个芯片工作周期复位，继续输出，若还短路，则又进入保护。像是在不停的打嗝，所以称之为打嗝式保护。开关电源在加电时，会产生较高的浪涌电流，因此必须在电源的输入端安装防止浪涌电流的软启动装置，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围内。浪涌电流主要是由滤波电容充电引起，在开关管开始导通的瞬间，电容对交流呈现出较低的阻抗。如果不采取任何保护措施，浪涌电流可接近数百A。 开关电源的输入一般采用电容整流滤波电路如图2所示，滤波电容C可选用低频或高频电容器，若用低频电容器则需并联同容量高频电容器来承担充放电电流。图中在整流和滤波之间串入的限流电阻Rsc是为了防止浪涌电流的冲击。合闸时Rsc限制了电容C的充电电流，经过一段时间，C上的电压达到预置值或电容C1上电压达到继电器T动作电压时，Rsc被短路。一般过流保护的原理是，在需要过留保护的地方取电流，通过一个电阻，再加一个稳压管。举个例子，就是说比如你用的电阻是4欧，那么2.5*4=10V，那么后面加上一个10V的稳压管，这样的话，当电流超过2.5A时，就超过稳压管电压，然后击穿稳压管，实施过流保护功能。大概是这样，具体的情况看你用的控制芯片，和芯片配合使用的。

⑺ 电路中的过压保护和过流保护的区别

一、过压保护

过压保护是指被保护线路电压超过预定的最大值时，使电源断开或使受控设备电压降低的一种保护方式。

过压保护应用

常见的过压保护元器件或设备有防雷器、压敏电阻、避雷器等。在通信电源领域，为防止雷电瞬间高电压对其造成巨大损害，通常会配置压敏电阻对其进行过压防雷保护。当雷电产生的瞬间高电压施加在压敏电阻两端时，压敏电阻阻值变得无穷小，使得压敏电阻导通并将雷电产生的大电流引入大地，从而保护电源设备不受雷电损伤。在电源系统侧通常会使用防雷器对交流、直流进行过压保护。

过压保护电路图及工作原理

最简单的过压保护措施是由一只继电器组成，如图6-25所示。一旦储能电容器上电压超过规定值时，继电器J吸合，进而切断供电电源。

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这种电路虽然简单，但消耗的功率较大，并且灵敏度低。由于接在高压回路中，对继电器也有特殊的要求。激光器电激中常用的一种过压保护电路，如图6-26所示。它也由取样电路、比较器、功放级及执行元件组成。它采用了与储能电容器并联的电阻分压器来获得取样信号。当储能电容器上的电压超过规定值时，电阻R1上的取样电压高于比较器的基准电压UR，最终导致执行元件切断供电电源。取样电阻R1R2的阻值一定要足够大，使其与储能电容器构成时间常数远大于储能电容器的时间常数。否则，储能电容器上电荷的激放相当严重。

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二、过流保护

很多电子设备都有个额定电流，不允许超过额定电流，不然会烧坏设备。所以有些设备就做了电流保护模块。当电流超过设定电流时候，设备自动断电，以保护设备。如主板cpu的usb接口一般有usb过流保护，保护主板不被烧坏。

最大电压

编辑在限定条件下， KT系列高分子PTC热敏电阻动作时，能安全承受的最高电压。即热敏电阻的耐压值。超过此值，热敏电阻有可能被击穿，不能恢复。此值通常被列在规格书中的耐压值一栏里。

工作电压

编辑在正常动作状态下，跨过KT系列高分子PTC热敏电阻两端的最大电压。在许多电路中，相当于电路中电源的电压。

过流保护电路原理

本电路适用于直流供电过流保护，如各种电池供电的场合。 如果负载电流超过预设值，该电子保险将断开直流负载。重置电路时，只需把电源关掉，然后再接通。该电路有两个联接点（A、B标记），可以连接在负载的任意一边。

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过流保护电路图

负载电流流过三极管T4、电阻R10和R11。A、B端的电压与负载电流成正比，大多数的电压分配在电阻上。 当电源刚刚接通时，全部电源电压加在保险上。三极管T2由R4的电流导通，其集电极的电流值由下式确定：VD4＝VR7＋0.6。因为D4上的电压 （VD4）和R7上的电压（VR7）是恒定的，所以T2的集电极电流也是恒定。该三极管提供稳定的基极电流给T3，因而使其导通，接着又提供稳定的基极电 流给T4。保险导电，负载有电流流过。当电源刚接通时，电容器C1提供一段延时，从而避免T1导电和保持T2断开。 保险上的电压（VAB）通 常小于2V，具体值取决于负载电流。当负载电流增大时，该电压升高，并且在二极管D4导通时，达到分流部分T2的基极电流，T2的集电极电流因而受到限 制。由此，保险上的电压进一步增大，直到大约4.5V，齐纳二极管D1击穿，使T1导通，T2便截止，这使得T3和T4也截止，此时保险上的电压增大，并 且产生正反馈，使这些三极管保持截止状态。

C1的作用是给出一段短时延迟，以便保险可以控制短时过载，如象白炽灯的开关电流，或直流电机的启 动电流。因此，改变C1的值可以改变延迟时间的长短。该电路的电压范围是10～36V的直流电，延迟时间大约0.1秒。对于电路中给出的元件值，负载电流 限制为1A。通过改变元件值，负载电流可以达到10mA～40A。选择合适额定值的元件，电路的工作电压可以达到6～500V。通过利用一个整流电桥（如 下面的电源电路），该保险也可以用于交流电路。电容器C2提供保险端的瞬时电压保护。二极管D2避免当保险上的电压很低时，C1经过负载放电。



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带自锁的过流保护电路

1.第一个部分是电阻取样，负载和R1串联，大家都知道。串联的电流相等.R2上的电压随着负载的电流变化而变化，电流大，R2两端电压也高.R3 D1组成运放保护电路。防止过高的电压进入运放导致运放损坏。.C1是防止干扰用的。

2.第二部分是一个大家相当熟悉的同相放大器。由于前级的电阻取样的信号很小，所以得要用放大电路放大，才能用放大倍数由VR1 R4决定。

3.第三部分是一个比较器电路，放大器把取样的信号放大，然后经过这级比较，从而去控制后级的动作。是否切断电源或别的操作。比较器是开路输出所以要加上上位电阻。不然无法输出高电平

过流保护用PTC热敏电阻通过其阻值突变限制整个线路中的消耗来减少残余电流值。可取代传统的保险丝，广泛用于马达、变压器、开关电源、电子线路等的过流 过热保护，传统的保险丝在线路熔断后无法自行恢复， 而过流保护用PTC热敏电阻在故障撤除后即可恢复到预保护状态，当再次出现故障时又可以实现其过流过热保护功能 。

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                                                       过流保护电路图

三、过压保护与过流保护区别

1、负载如果是阻性负载，当电源有故障，负载上的电压有可能大幅上升，而电流的上升值不一定能超过过流保护值。此种情况宜用过压保护，例如工作在50V，可将电压保护值调至55V，如果电源故障只要电压升至55V时，电源会自动切断电压输出；负载如果是容性负载，由于大容量的电解电容器并联在一起，当电源发生故障时，电流就可能大幅度上升，而电压的升值却不甚明显，这时电源内部的过流保护部件会首先启动，电源会自动切断输出。

2、过压保护值在面板上有一只电位器，可以人工设定。而过流保护值是不能人工设定的，机内已经定死，一般为额定电流的1.2～1.5倍。过压保护会立即快速启动，过流保护则有一秒左右的延时。

3、过压、过流保护是针对机内故障的，因此既然发生，电源就不能自动恢复，必须关机后重新开机。