基于MOSFET的浪涌防护设计

2021-02-18刘少龙杨启帆李文衡

通信电源技术 2021年16期

刘力，刘少龙，杨启帆，李瑞，李文衡

（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西西安 710068）

0 引言

随着电力电子技术的不断发展，线性开关电源因其效率高、质量轻、体积小以及输出稳定等优点被广泛应用在通信、计算机和工业自动化等领域。为了避免浪涌电压击毁敏感的自动化设备，导致计算机误动作使数据丢失等，在电路中往往会采用吸收电器或者无源保护电路来抑制电压浪涌[1-3]。本文首先总结了浪涌现象及其危害，并对常见的电压浪涌防护方式进行总结，最后提出基于MOSFET的浪涌防护设计，同时对其防护功能进行仿真验证，表明基于MOSFET的电压浪涌防护具有良好的实用性。

1 浪涌概述

1.1 浪涌现象及危害

浪涌也被称为瞬态过电压，一般在百万分之一秒内产生高频尖峰冲击电压或电流[4]。当切断空载变压器时会出现高达额定电压8～10倍的操作过电压，雷击浪涌也会在配电线路中引起瞬态过电压。在低压配电系统中，由于雷击、系统内开关操作及系统事故等原因，外部及内部浪涌频繁出现[5]。

有学者对冲击电压波形进行傅里叶变换分析其频域特性，发现浪涌波形的能量主要集中在较低的频段，但浪涌波形也包含高频成分，故冲击电压不仅会对电源设备和贵重的计算机及各种硬件设备造成直接的损害，也会对电子芯片造成不可恢复的损伤，使电子设备运行不稳定并加速老化。同时由于其包含的高频成分，会干扰计算机的运行，从而会导致计算机误动作，数据丢失等。

1.2 常见的浪涌防护

对于浪涌现象可以理解为瞬间出现一股极高的能量冲击，因此对于浪涌防护的核心就是使该能量可以快速消失，从而保护后端设备不受其损害。目前最常见的浪涌防护方式是在被保护设备前段加装保护设备，这些保护器件的工作原理不同，但具有相似的伏安特性，即当电路出现浪涌，保护器两端的电压高于其启动电压时，保护器两端的阻抗会急剧变小，使通过其的电流指数增加，而此时浪涌的总能量不变，从而使保护器两端的电压钳制在安全电压之内，保护后端设备。最常用的浪涌抑制器大致分为限幅型、开关型以及混合型等几种类型，它是低压系统和电子设备可靠运行的保证[6,7]。下面简单介绍几种常见的浪涌抑制器的使用方法及特点。

1.2.1 瞬态电压抑制二极管

瞬态电压抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS）是一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应速度（亚纳米级）和相当高的浪涌吸收能力[8-10]。TVS管的具体用法如图1所示，当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，能极快地把两端的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收一个瞬态大电流，从而使其两端电压钳位在一个预定数值，保护后面的电路元件不受瞬态高电压尖峰脉冲的冲击。

图1 TVS管接线示意

1.2.2 气体放电管

气体放电管采用玻璃或陶瓷作为管子密封性能稳定的惰性气体，当两端的电压达到惰性气体的击穿电压时，两极间隙被击穿，放电管由绝缘态变为导电态，具体用法如图2所示。

图2 气体放电管接线示意

1.2.3 压敏电阻

压敏电阻的伏安特性呈非线性特点，当压敏电阻两端的电压在其阈值以下时，电阻近似无穷大，基本无电流流过。如果其两端的电压超过阀值，电阻会急剧下降，可以泄放大电流。压敏电阻在电路中具体用法如图3所示。

图3 压敏电阻接线示意

2 新型浪涌防护设计

2.1 基于MOSFET的浪涌防护原理

MOSFET是一种单极性电压控制型器件，具有开关速度快、工作频率高以及不存在二次击穿等优点，可以利用其电压控制通断的特性完成如图4所示的基于MOSFET的浪涌防护设计。该设计主要由一个电压比较器、N沟道MOSFET、两个分压电阻以及一个滤波电容组成。当输入电压在正常工作电压范围内时，R1与R2之间的电压低于Us时，比较器输出值大于MOSFET的Ugs，MOSFET导通，电路正常工作。当输入电压Uin出现尖峰浪涌电压时，R1与R2间的电压高于Us，比较器输出值小于MOSFET的Ugs，MOSFET关闭，电路关断，从而保护后级电路不会受到尖峰电压的损伤，当浪涌电压过去后，MOSFET又会正常打开，电路正常工作。

图4 浪涌防护原理示意

2.2 电路设计

LTC4364是Linear公司推出的一款具有过流保护、过压保护以及理想二极管控制功能的过压浪涌抑制器，其工作电压范围为4～80 V，最大反向输入电压为-40 V，通过简单地控制一个MOSFET来进行过欠压及浪涌防护调节保护。

本文搭建了一个简单电路，原理如图5所示，并对其工作原理进行简单介绍。LTC4364的10脚和11脚分别是电路的欠压和过压监控引脚，当电路输入电压出现异常不在正常监控范围内时，该芯片内部的电压比较器则使6脚输出低电平D3的MOSFET关闭，进而保护后级电路。1脚和2脚之间的电阻R8为过流保护的采样电阻，电路出现过流现象时，R9两端的压差会变大，当触及阀值时会拉低6脚的电平，也会快速关闭MOSFET，避免后级设备发生损坏。LTC4364还具有输出电压钳位功能，输出电压发生变化时，16脚的电压也会发生变化，而当16脚电压高于基准电压1.25 V时，芯片会快速拉低6脚和4脚电平，从而保证输出电压不会超过预设值。最后值得介绍的是该电路还具有一个可调的故障定时器，当电路出现过欠压及过流现象时，LTC4364芯片会给15脚上的电容充电，使15脚的电压快速升高，也会加快MOSFET的关闭速度，故障结束时，15脚的电容会以2 μA的速度放电。当15脚的电压第32次降低到1.25 V且过欠压及过流故障消失时则会使电路重启，否则将会继续延迟电路开启。通过以上电路介绍，LTC4364具有良好的电压浪涌防护功能并具有过欠压及过流防护功能。

图5 电路设计原理

2.3 电路仿真

为了验证该电路设计对电路真实的浪涌防护效果，本文使用仿真软件LTspice对其进行仿真。为了验证该设计的浪涌防护功能，设置电源输入端前100 ms的输入电压为28 V，在之后加一个10 μs的60 V电压冲击，再然后恢复成28 V输出。仿真结果的输入输出结果如图6所示，可以看到在前100 ms内，输出电源随着输入电压快速升到了28 V，然后当输入出现10 μs的60 V电压冲击时，输出电压很快被钳制在29 V，避免后级电路受到损害，当输入电压恢复到28 V时，输出电压也恢复成了28 V。通过电路仿真，结果表明该设计具有良好的电压浪涌防护效果。