能源与电源管理电路——过压保护电路

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一、过压保护电路的背景

1、过压的概念

（1）当电路电压产生异常，可能会引起电路重启或误动作，比如电路某处电压过高，单片机检测到电压异常，会直接重启电路，或者做出其它保护电路的行为。

（2）当元件承受的电压超出其安全阈值，可能会被损坏。

2、可能发生过压的情况

（1）电路中可能产生静电，它是一种瞬时高压，电压值高、放电时间短，会激发瞬时过电压。

（2）重型设备启停、感性负载通断、电路短路瞬间会激发瞬时过电压，形成电浪涌，浪涌峰值电压通常不及静电，但持续时间更长、冲击能量更大，对电路器件具备更强的破坏能力。

（3）电源到目标板的电压过高，通常由前级的电源输出异常或者人为插错电源引起。

二、几种过压保护电路介绍

1、双PNP三极管过压保护电路

（1）适用场合：小功率直流电路。

（2）下图所示的是双PNP三极管过压保护电路原理图，核心控制元件是三极管Q2和齐纳二极管D2，电路主开关是Q1。

（3）双PNP三极管过压保护电路的工作原理：

①当电源电压输入为4.5~5.1V时，齐纳二极管D2反向截止，三极管Q2截止，三极管Q1的基极电压为0V，Q1导通，电路正常工作。

②当电源电压输入大于5.1V时，齐纳二极管D2被反向击穿，三极管Q2基极电压被钳位在5.1V；当电源电压大于5.7V时，三极管Q2导通，三极管Q1的基极电压等于VCC，Q1截止，电路的电源回路被切断，实现过压保护的效果。

2、LM393延时继电器过压保护电路

（1）适用场合：大功率直流电路。

（2）下图所示的是LM393延时继电器过压保护电路原理图，核心控制元件是LM393电压比较器。

①LM393电压比较器的输入输出关系：当xIN+＜xIN-时，xOUT输出低电平；当xIN+＞xIN-时，xOUT输出高电平。

②TL431为1IN－提供2.5V电压基准；分压网络（RP1、R7）对输入VCC采样，采样电压送入LM393比较器1IN＋引脚，通过调节RP1的阻值，可调整电路的过压判断阈值，下面介绍工作原理时，假定电源过压阈值为14V。

③当电源电压输入为12V时，电压在正常范围内，电路正常工作；当电源电压输入大于14V时，电压异常，继电器断开电源回路，后续即使电压恢复，也需要手动复位电路，才能使电路继续正常工作。

（3）LM393延时继电器过压保护电路的工作原理：

①当VCC低于14V时，LM393的1IN＋电位低于2.5V，1OUT输出低电平，晶闸管Q3不导通，继电器不动作，主电路正常接通。

②当电源电压输入大于14V时，LM393的1IN＋电位高于2.5V，1OUT输出高电平，晶闸管Q3导通，继电器动作，主电路断开。

③由于晶闸管Q3无法主动关断（只有待晶闸管两端电压呈反偏时，晶闸管才能够关断），即使电路电压恢复正常，继电器还是持续保持打开状态，电路不会自动恢复。

3、TVS管过压保护电路

（1）TVS管过压保护电路主要针对静电和浪涌这类瞬时过压。

（2）按照极性区分，TVS可分为应用在直流电路的单向TVS和应用在交流电路中的双向TVS，下面主要介绍单向TVS，下图所示的是单向TVS管过压保护电路原理图。

（3）单向TVS的工作原理：

①当电路正常工作时，TVS处于关断截止状态。

②当电路出现静电或者浪涌等异常过压时，TVS两极间的电压由额定反向电压上升到击穿电压而被击穿，TVS瞬间从高阻状态突变为低阻状态，泄放由于异常过电压导致的异常过电流，同时把异常过电压钳位在后级电路可承受的安全水平。

③当异常过电压消失，TVS恢复为高阻状态。