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电路保护解决方案大全，请查收！:

在汽车、工业、通信和航空等领域，电路系统不可避免地要在一系列恶劣的环境下工作，如过电压、过电流、浪涌事件。本文将阐述：电路保护存在哪些挑战，以及如何应对这些挑战。

电路保护的挑战

我们想象中的供电电压波形可能是一条平的直线，没有起伏，而现实中的电压波形可能存在非常大的起伏。以汽车电子举例，以下情况均会引起电压很大的波动：

图1：汽车电子应用中，可能遇到的电路保护挑战（图片来源：ADI）

冷启动	拋负载	反向电压	叠加交流电压
在汽车发动机达到自己热平衡之前，电压轨道上会出现特定的电压波形，特别是在寒冷的环境下。	当马达产生充电电流时，蓄电池突然断开，将会产生很大的电压脉冲。	假如电池组接反了，可能会对整个电压轨道产生反向电压。	比如，整流交流发电机的干扰，或者大电流负载切换时的干扰，都会以某种方式叠加到电源轨上。

图2：理想中地电压波形对比现实中地电压波形（图片来源：ADI）在ISO 7637-2和ISO 16750-2规范中，详细描述了汽车行业的瞬态事件，以及如何测试。应对电路保护挑战的方案有许多种，可以通过被动保护器件，如TVS管、保险丝等加以保护，也可以通过主动浪涌抑制器来加以保护。
被动保护器件
下图是典型的传统电路保护方案：

图3：典型地传统电路保护保护方案（图片来源：ADI）当输入电压过高，可以使用瞬态电压抑制器件，如瞬态抑制二极管（TVS），把过多的能量传导到地。当电流过大，可以串联保险丝，过大地电流会使保险丝熔断，从而保护电路。

瞬态电压抑制器件

它们结构和特性有一定的区别，但都有类似的工作方式：当电压超过器件阈值时，分流多余的电流。

图4：通过TVS解决浪涌原理（图片来源：ADI）当输入端出现过电压情况时，TVS导通，并通过将多余的能量分流到地（GND），来保护电路免受过压的危险。不同瞬态电压抑制器件具有不同的响应时间：

瞬态电压抑制	瞬态抑制二极管(TVS)	金属氧化物变阻器(MOV)	气体放电管(GDT)
图片
响应时间	~1 pS	~1 nS	<5 µS

尽管TVS装置能有效地抑制非常高的电压偏移，但当面临持续的过电压事件时，它们不能免受损坏，因此需要定期监测或更换装置。而GDT的响应时间可能只有几微秒，但可以处理更大的浪涌。

过流保护元件

串联保险丝，当电路电流过大时，会使保险丝熔断，从而保护电路。但保险丝同时也带来了维护更换的问题。解决这个问题，也可使用可复位保险丝（PTC）降低维护要求。可复位保险丝可以看成一个正温度系数地电阻，电流越大，自身发热越大，导致自身电阻急剧增加，从而达到抑制电流的效果。

过流保护	保险丝	可复位保险丝(PTC)
图片
原理	电流过大时，通过熔断保护电路	电流过大时，自身电阻急剧增加，从而保护电路
能否复位	一次性	可多次复位

保险丝熔断时间是一个重要的参数，在Digi-Key网站可以根据响应时间快、中、慢来选择合适地保险丝。

图5：根据保险丝熔断时间进行选型 保险丝响应时间不是越快越好，如一些电机应用，启动电流可能非常大，导致在启动阶段误操作，烧坏了保险丝。同样在更换保险丝的时候，需要注意，更换保险丝的响应时间最好和之前使用地保险丝一致，否则可能会有意想不到风险。当然被动保护器件不止几种，也可以使用二极管来应对反极性连接的问题，或者通过电容电感构成的滤波器来解决较小的瞬态电流电脑。这些方法非常直观，同时也面临一些问题，比如面对较大的瞬态电压电流，需要大体积得被动过保护器件，并且可能需要维护。

主动保护器件：浪涌抑制器

主动保护器件用得好，可以大大减少保护元器件的占地空间，并解决可能的维护困难的问题。主动浪涌抑制器有很多种类，可以根据开关放在芯片外面还是集成在芯片里面分分为：

内部开关浪涌抑制器
外部开关浪涌抑制器

常见的应用拓扑结构，包括以下几种：

浪涌抑制器：线性

浪涌抑制器的保护原理类似于线性稳压器。如下图，浪涌抑制器监测输入电压和电流。保护阈值由连接输出端的反馈网络决定。通过调节N沟道MOS管栅极，从而将MOS管输出电压钳制在相应的范围。

图6：浪涌抑制器：线性（图片来源：ADI）
同时为了保护MOS管，一般通过一个电容故障定时器（TMR）来限制MOS管在高损耗区花费的时间。定时器本质上是一个对地电容器。当发生过电压情况时，内部电流源开始给外部电容充电。一旦这个电容达到一定的阈值电压，关闭MOS管。对于过流保护，如上图，一般通过一个电流检测电阻来监测。当过流情况出现，通过调节MOS管栅极来保证电流在限制范围之内。 → 典型芯片：LT4363

浪涌抑制器：开关

对于高功率应用，开关浪涌抑制器是一个不错的选择。其原理与开关电源、DC-DC转换器类似。阈值由输出端的反馈网络决定，通过调节N沟道MOS管栅极，将MOS管的输出电压钳制在电阻分压器设置的电平。

图7：浪涌抑制器：开关（图片来源：ADI）
与线性浪涌抑制器一样，它也用一个故障定时器（TMR），来保护MOS管。上图的绿线是电容上的累积电压，我们可以看到，这个电压随着浪涌的出现开始累积，直至浪涌结束开始释放。 → 典型芯片：LTC7860

浪涌抑制器：门限电压

这种浪涌抑制器的阈值，不由输入电压与反馈网络决定。而是通过设置内部钳位电压（也可以外加一个肖特基二极管来设置钳位电压），来限制住MOS管栅极电压。而MOS管的阈值电压决定输出电压极限。

图8：浪涌抑制器：门限电压（图片来源：ADI）
例如，使用内部31.5V的栅极钳位和5V的MOS管阈值电压，输出电压被限制为26.5V。 → 典型芯片：LTC4380

保护控制器：输出断开

与浪涌抑制器一样，监测过输入电压和电流的情况，但他不是钳制或调节输出，而是立即断开输出以保护下游电子设备。这种简单的保护电路可以有一个非常紧凑的封装，适合电池供电，便携式设备等应用领域。

图9：保护控制器：输出断开（图片来源：ADI）
如上图，保护控制器通过分压电阻来监测输入电压，形成一个从UV到OV地电压窗口。当输入电压超出电压窗口范围，马上通过MOS管断开输出。如上图，该方案使用背靠背MOS管，可以有效防止电压地反向输入。输出端的电流检测电阻，通过持续监测正向电流来实现过电流保护功能。→ 典型芯片：LTC4368

本文小结

电路保护有各式各样种，我们将他们的类型和特性总结如下：

被动保护器件

被动保护	瞬态电压抑制器件			过流保护
产品种类	瞬态抑制二极管(TVS)	金属氧化物变阻器(MOV)	气体放电管(GDT)	保险丝	可复位保险丝(PTC)
图片

主动浪涌抑制器

主动保护	浪涌抑制器：线性	浪涌抑制器：开关		浪涌抑制器：门限电压	保护控制器：输出断开
小浪涌的情况	下游电路并不断开，而是通过基于MOS管电路，消耗一部分能量			监测过电压和过电流情况，超过电压钳制的范围立即断开
大浪涌的情况	通过一个定时器来保护MOS管
对应波形
典型芯片	LT4363		LTC7860	LTC4380	LTC4368

如果想最大限度地减少下游电子设备的停机时间，可以重点关注一下线性型或者开关型浪涌抑制器。当然，对应地电路保护器件不止这些。最重要的是，首先要了解你的项目中可能会出现的过电压、过电流、浪涌等各种潜在的危险情况，然后再根据项目具体的要求——如可靠性、反应速度、产品尺寸等要求——对症下药，合理选择合适的电路保护方案，这样才能事半功倍。.

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