电子设备全方位保护电路解析

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电子设备中的保护电路

▲ 短路保护

短路保护电路是电子设备中不可或缺的一环。其核心作用在于，在电路系统出现短路时，能够迅速切断电源，确保后续器件的安全。短路发生时，电路中的电流会急剧上升，可能达到正常电流的数倍甚至更多。这一特性被巧妙利用，通过在电路中接入保险丝等器件，当电流超过保险丝的熔断电流时，保险丝便会因自身过热而熔断，进而切断电路，实现短路保护。这种保护方式简单而有效，是电子设备中最为常见的保护措施之一。

然而，传统的保险丝也存在一定的不足。在短路故障排除后，需要工程人员手动替换新的保险丝，这在某些空间狭小的场合显得颇为不便。因此，自恢复保险丝应运而生。这种保险丝独具特色，能够在熔断后随温度降低而自动接通，从而实现故障时的断电保护与后续的供电恢复。那么，自恢复保险丝究竟是如何实现这一神奇的自恢复功能的呢？

▲ 自恢复保险丝的构成

自恢复保险丝由特殊聚合树脂和导电粒子构成。这种独特的组合使得保险丝在短路熔断后，能够随温度的降低而自动恢复导电性能。

在正常工作状态下，聚合树脂将导电粒子紧密地固定在结晶状结构之外，从而构建出链状的导电通路。这使得自恢复保险丝处于低阻状态，线路中流经的电流产生的热量相对较小，不足以改变晶体结构。然而，一旦线路出现短路或过载，流经自恢复保险丝的电流会急剧增大，产生的热量足以使聚合树脂融化。这种融化导致树脂体积迅速膨胀，进而使保险丝进入高阻状态，工作电流因此迅速降低，实现对电路的有效限制和保护。因此，由自恢复保险丝构成的保护电路不仅能够应对短路和过载情况，还可用于过热和过流的保护。

▲ 过压保护

过压保护利用齐纳二极管实现供电电压超过额定值时的快速响应和保护。在电子电路设计中，常采用齐纳二极管（也称为稳压二极管）来实现这一保护功能。其工作原理如图2-1所示：

图2-1展示了过压保护的工作原理。当供电电压超过齐纳二极管的额定限制时，保护电路会自动断开供电回路，以确保电子电路的安全。齐纳二极管在此过程中发挥着关键作用，通过其特性实现对过压的快速响应和有效保护。N4099这款二极管，其额定电压为6.8V，当输入电压超过此限制时，其输出会被稳定在约6.8V，从而起到过压保护的作用。

▲ 防反接保护

通过整流电路及自动关闭设计，避免因电源接反或错误接法导致的电子元器件损坏。许多电子元器件对电源正负极的接法有严格要求，一旦接错就可能导致器件损坏，造成不必要的损失。为了防止这种情况的发生，设计师们会在电源输入的前级通过整流电路将电源整流至确定的极性，然后再接入固定的后级电路，如图3-1所示。这样的设计可以在一定程度上避免因电源接反而导致的器件损坏问题。

另一种防反接保护的方法是，在电源反接的情况下，设备能够自动关闭，以保护电子元器件不受损坏。这种设计如图3-2所示。

这种电路通过MOS管来实现关断功能。得益于MOS管中寄生二极管的低压降特性，该电路在正常工作状态下能够轻松应对大电流的挑战。

▲ 雷击浪涌保护

借助放电管、压敏电阻、TVS、共模电感等器件，有效抑制浪涌电压，保护电路免受雷击损害。雷电，这一严重的自然灾害，曾给早期的电子设备如电视机、电冰箱等带来不小的损害。然而，随着科技的发展，这样的情况已变得极为罕见。这都归功于雷击浪涌防护电路的出色表现。

在雷击发生时，接地点附近的零电位会上升，导致供电电压出现波动。若闪电击中供电线附近，所产生的感应电压更是不可忽视。这种浪涌现象，如同平静海滩上突如其来的汹涌波涛，我们称之为浪涌电压。

为了应对这种浪涌电压的冲击，我们采用了多种器件，包括放电管、压敏电阻、TVS以及共模电感等。这些器件在电压超过特定阈值时，会迅速降低电阻，为电路提供一个至地的泄放通道，从而保护电路免受浪涌电压的损害。

其中，共模电感利用其特性，仅允许相位相反、振幅相同的电压通过，而浪涌电压往往具有这种特性，因此会被有效抑制。

通过结合多种器件，如放电管、压敏电阻和TVS等，该电路能够有效地降低浪涌电压对电子设备的影响，确保其安全稳定运行。

▲ 静电防护

借鉴共模浪涌抑制电路方案，防护电子设备免受静电放电损害。人体与电子设备接触时，由于摩擦等原因，会产生静电放电现象，特别是在干燥的冬季更为常见。这种静电放电现象可能对电子设备造成损害，因此需要采取相应的防护措施。实际上，静电放电产生的电压高达上千伏，与雷击浪涌的情况相似，因此可以借鉴上述的共模浪涌抑制电路方案来进行处理。

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