低压电源多阶防护电路的设计研究

2021-07-04金庆田叶斌

科学与财富 2021年13期

关键词：浪涌

金庆田叶斌

摘要：介绍了常用浪涌保护器件的特性。对低压电源端口防护进行了设计分析，纠正业内常见错误认知，创新式提出利用电源稳压电容提高防护能力减少对电压瞬变抑制二极管通流能力的要求。

关键词：浪涌，MOV，TVS，GDT，SPD电涌保护器，DC-DC电源

引言

随着商用电子产品的发展，对电源需求越来越高，同时随着半导体工艺的进步，浪涌对初级电源管理芯片的危害日益严重。在电源芯片设计中，只考虑片上ESD防护，对更大瞬态能量的浪涌防护，无法有效防护，这时就需要进行片外的防护设计;

1 瞬态脉冲失效现象

瞬态脉冲的失效形式有两种，一是热击穿，二是电击穿。产生热击穿的根因是瞬间大电流产生大量热量，难以快速散出。产生电击穿的根因是大电场所引起的介质击穿，常发生在MOSFET的栅氧处。DC-DC电源采用功率型MOS管自身与衬底或者阱形成反偏的PN结，且扩散区面积大，片上就能做到ESD nS级防护。但对浪涌us级的能量就不够了，根据国标GB/T17626.5 户外电源口需要满足±2KV差模8/20uS的电流波形冲击，瞬态电流高达1000A，片内防护能力远不够，需要进行片外防护。

2 片外防护设计

2.1 常用防护器件

瞬态干扰的特点是高压或大电流，需选大通流并能钳位电压的SPD进行防护。市面上常用的有气体放电管GDT、压敏电阻MOV、电压瞬变抑制二极管TVS，三种器件各有特点：GDT通流最强，能达数十千安，但有续流遮断的特性，限制了在直流电路中的应用。氧化锌压敏电阻（ZnO—MOV）其各方面较为均衡，便宜的价格成为第一级防护器件的首选。TVS由于其通流能力较小，低残压一般用于第二级防护。

2.2防护电路架构

商用电子产品一级低压DC-DC耐压能力不高，为达防护要求需设计二阶防护电路。如图1所示，第一级采用MOV满足大通流，第二级采用TVS满足低残压。两级间串联电感用来保证SPD的启动和分流，保险丝要同时满足安规和浪涌的要求。最后一级uF级的稳压电容，這颗电容可以启到启动第一次防护器件和分流二级电流的作用。

2.3限流保险丝要求

浪涌防护使用慢熔断型保险丝，需关注设备功耗和浪涌等级。设备功耗决定稳态电流，浪涌等级决定热熔值的选取。选取保险丝要热熔值和稳态电流都满足要求。

2.4 防护退耦电路

防护及退耦的设计，用一个示例说明如何设计。假设后级电源芯片工作电压为DC48V，耐压76V，稳压电容C 100uF。需满足±2KV即通流1000A，防护电路残压设计目标70V。在直流回路中MOV工作电压U≥1.2Udc，式中Udc为直流额定工作电压最大值。MOV通流按照1.5倍通流要求选取。比如可选取某厂家的MOV型号07D820K直流工作电压65V 浪涌最大通流1200A残压330V。二级防护采用TVS，应有min（UBR）≥ （1.3～1. 6）Umax，式中UBR为直流TVS的反向击穿电压，Umax是回路中的电压峰值。

退耦电感的选取，有一个大的误区，业内很多人误认为电感起到时延的作用，压敏电阻先动作，后级电路后动作。这是一个错误认知，电感要形成感抗要有电流变化，要形成电流二级防护一定先动作。如何精准选取电感启到退耦作用呢？假设二级电路通过400A电流，一级MOV通过600A电流（仅计算需要，可配置其他比例）。

如上图1：△U=U1-U2=330-70=260V

时间t取8us，则：L=∆U/（di/dt）=260/（400/8）=5.2μH

得到至少要选择5.2μH以上的电感。

电容C作用：吸收电流保持电压稳定，通过公式计算。

瞬时电容端的电压：Uout=VCC×（1-e^（（-t/RC）））

Uout电容电压，VCC电源电压，t时间，R感抗约9.5欧姆，C容值，以及常数 e ≈ 2.71828电容充到70V计算下来需要时间t=25us ，在整个浪涌波形期间，都会存在电容分流。

3 仿真模拟

按照图1电路用psipce仿真模拟，得到结果，压敏电阻残压U1=330V，低压电源芯片端残压67V 和设计计算结果基本一致，达到设计目标。MOV上电流I2=520A电容C上电流I3=220A ，TVS上电流I2=320A。因此只需选择一颗320A以上通流的TVS就可以满足防护设计要求。

4结语

电源端口是商用电子产品失效的一大来源。正确选择防护器件，破除业内粗放式设计再以测试来验证的设计模式，通过精确计算和仿真，才能设计出性能符合要求、成本最优的防护电路。

参考文献