CN106026061A - 一种低成本的浪涌保护电路 - Google Patents

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稽维贵
何志翔
徐美华
冉峰
季渊
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage

Abstract

本发明提出一种低成本的浪涌保护电路。包括一个保护模块,其输入端与电源电压以及设备输入端相连,所述保护模块的输出端与一个缓冲模块输入端相连,缓冲模块的另一端接地;所述缓冲模块用低成本的元件接收从保护模块排出的浪涌能量并储存,在浪涌结束后缓冲模块会把浪涌能量慢慢释放出去。本发明采用廉价的电容和电阻组成缓冲模块,降低了保护模块中对MOSFET性能的要求,电路中可以选用低价的MOSFET,从而降低了整个浪涌保护电路的成本。

Description

一种低成本的浪涌保护电路
技术领域
[0001] 本发明涉及电路原理和半导体器件,属于微电子领域,主要涉及一种低成本的浪 涌保护电路,具体来说是一种以传统的浪涌保护电路为基础,通过集成电路的方式代替原 有的TVS(瞬态抑制二极管),具有比较精准的浪涌保护效果,同时降低了成本。
背景技术
[0002] 电路在遭雷击和在接通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的操作过电 压,这种瞬时过电压(或过电流)称为浪涌电压(或浪涌电流),是一种瞬变干扰。例如直流6V 继电器线圈断开时会出现300V~600V的浪涌电压。浪涌电压现象日趋严重地危及自动化设 备安全工作,消除浪涌噪声干扰、防止浪涌损害一直是关系到自动化设备安全可靠运行的 核心问题。
[0003] 瞬时的浪涌电压(或浪涌电流)会给人们带来巨大的损失,因此必须在相关设备或 系统上安装浪涌保护器(Surge protective device,SH))。浪涌保护器并联在被保护设备 的两端,通过泄放浪涌电流、限制浪涌电压来保护电子设备。传统的浪涌保护器是由一个瞬 态抑制二极管(TVS)完成的。在被保护电路正常工作,瞬态浪涌未到来以前,TVS呈现极高的 电阻,对被保护电路没有影响;而当瞬态浪涌到来时,瞬时电压超过TVS的反向击穿电压,此 时TVS导通,迅速将浪涌电流通过TVS泄放出去,并将被保护设备两端的电压限制在较低的 值。到浪涌结束,TVS又迅速、自动地恢复为极高电阻。它的作用是保证电子设备免受浪涌过 电压(雷电过电压、操作过电压等)的破坏,既不影响设备的正常工作,又将过电压限制在相 应设备的耐压等范围内。
[0004] TVS作为浪涌保护器存在一个问题,就是TVS的击穿电压并不是一个恒定值, 有一个波动范围,因此TVS不能精确有效的限制浪涌电压。对于上述缺陷,可以用集成电 路的方式替代TVS实现浪涌保护的功能。市场上现有的方案是将一个电压检测模块和 M0SFET连接成一个集成电路并联在被保护设备两端用来代替TVS。电压检测模块的一个输 入端输入可以设置的阀值,另外一个输入端检测输入电压,一旦输入电压超过这个阈值,电 压比较器输出翻转,使得功率M0SFET导通,浪涌能量就可以通过功率M0SFET排出。这种方案 在技术上完全可以达到浪涌保护的效果,但是在实际应用中,这种浪涌保护电路存在一个 经济性问题。不同面积大小的M0SFET在会有不同的耐冲击能力,面积越大的M0SFET耐冲击 能力越高。当瞬间很大的浪涌能量通过M0SFET时,会导致M0SFET发热,甚至烧掉M0SFET。因 此若要把瞬间的所有能量从M0SFET中泄放掉,M0SFET的面积必须足够大以承受浪涌能量, 否则会导致MOSFET损坏从而使浪涌保护电路失效。而在MOSFET的制造中,面积越大的 M0SFET造价越高,过高的成本会限制了这种浪涌保护电路的实际使用和推广。
发明内容
[0005] 针对现有技术存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种低成本的浪涌保护电路, 能在保证浪涌保护效果的条件下,降低成本并能广泛推广使用。
[0006] 为达到上述目的,本发明采用如下的技术方案: 一种低成本的浪涌保护电路,包括一个保护模块,其输入端与电源电压以及设备输入 端相连,所述保护模块的输出端与一个缓冲模块输入端相连,缓冲模块的另一端接地;所述 缓冲模块用低成本的元件接收从保护模块排出的浪涌能量并储存,在浪涌结束后缓冲模块 会把浪涌能量慢慢释放出去。
[0007] 所述保护模块包括母线电容、电压检测模块和M0SFET;母线电容并联在电源电压 两端,母线电容有一定的浪涌保护作用,同时也能给后级系统滤除纹波;电压检测模块的一 个输入端输入一个可以设置的阀值,另外一个输入端检测输入电压、输出端接在M0SFET的 栅极,电压检测模块的输出作为M0SFET的驱动电压;M0SFET的源极和设备输入端连接在一 起,漏极接缓冲模块,用于排出浪涌能量;工作原理:当电源电压为设备的安全工作电压时, 保护模块不工作,电源电压直接输入到被保护设备;电路的接通瞬间会产生数倍甚至数十 倍于正常工作电压的浪涌尖峰电压,因此接口部分一定要增加防浪涌功能,如果不对浪涌 加以限制,那么大幅超出设备耐压值的浪涌尖峰电压会直接输入到设备中并造成设备的损 坏,因此必须在设备上并联一个浪涌保护电路来排出瞬时的浪涌能量;在保护模块中,母线 电容的容值比较小,否则会在插拔瞬间产生火花,引起前级电源电压跌落;当设备正常工作 时,电压检测模块的输入电压小于阀值,M0SFET不能导通,浪涌保护电路不工作;浪涌测试 时,母线电容较小无法遏制浪涌电压,电压检测模块的输入电压瞬间大于阀值,M0SFET导 通,浪涌能量通过M0SFET导出,从而保护了设备不受浪涌电流的冲击;当浪涌结束之后,设 备输入电压恢复正常值,M0SFET截止,保护模块不工作,设备正常运行。
[0008] 所述缓冲模块包括一个电容和一个电阻;所述电容和电阻并联组成缓冲模块,其 一端接在保护模块中M0SFET的漏极,另一端接地;工作原理:所述缓冲模块用于储存和释放 浪涌能量,当电源电压稳定输出时,电压检测模块输出为负,M0SFET截止,缓冲模块中没有 能量;浪涌测试时,电压检测模块输出为正,M0SFET导通,浪涌电压加在电容两端,电容充电 储存能量;当浪涌结束时,电压检测模块输出为负,M0SFET截止,此时缓冲模块的电容和电 阻构成一个回路,电容上的能量通过电阻慢慢释放出去;当M0SFET瞬间吸收非常大的能量 时,容易发热损坏,造成浪涌保护电路不能正常工作;由于缓冲模块的存在,在发生浪涌时 瞬时,电容两端电压不断升高,存储了一半能量,使得M0SFET瞬间吸收的能量减少了 一半, M0SFET发热情况不明显,不会烧毁M0SFET,从而确保上级的浪涌保护电路可以正常工作;廉 价的电容和电阻组成的缓冲模块可以保护M0SFET不被烧毁,因此可以降低对保护模块中的 M0SFET的性能要求,选用价格较低的M0SFET,从而降低了整个浪涌保护电路的成本。
[0009] 保护模块和缓冲模块连接成一个完整的浪涌保护电路,保护模块负责将浪涌保护 电路的钳位电压控制在设备的耐压值以下,保护设备不受浪涌电压和浪涌电流的冲击;缓 冲模块负责存储从M0SFET流出的较大的瞬时浪涌能量,并在浪涌结束后将能量泄放掉,廉 价的电容和电阻组成的缓冲模块降低了保护模块中对M0SFET性能的要求,降低了 M0SFET的 成本,从而降低了整个浪涌保护电路的成本。
[0010]本发明与现有技术相比较,具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进 步: (1)本发明以集成电路的方式代替了传统的TVS浪涌保护器,可以进行更多的优化设 计。
[0011] (2)本发明中将廉价的电容和电阻并联组成一个缓冲电路,并与低价小功率的 M0SFET连接从而替代了的高价大功率M0SFET,避免了瞬时浪涌能量烧毁M0SFET,在保证浪 涌保护作用的同时降低了浪涌保护电路的成本。
附图说明
[0012] 图1是传统的TVS浪涌保护器示意图。
[0013] 图2是市场上现有的浪涌保护电路示意图。
[0014] 图3是本发明一种低成本的浪涌保护电路示意图。
具体实施方式
[0015] 为更加清楚明白地介绍本发明的技术方案,以下结合附图及优选实施例,对本发 明作进一步的说明。
[0016] 本发明通过多个电路元件组成的一种低成本的浪涌保护电路,与传统的浪涌保护 器相比,不仅起到了浪涌保护的有效性,还降低了生产成本。
[0017] 如图1所示,在传统的浪涌保护电路中,由一个TVS并联在被保护设备两端实现浪 涌保护的功能。在设备正常工作,瞬态浪涌未到来以前,TVS呈现极高的电阻,对被保护电路 没有影响;而当突然出现一个浪涌电压时,瞬时电压超过TVS的反向击穿电压,此时TVS被击 穿,浪涌电流迅速通过TVS泄放出去,并将被保护设备两端的电压限制在较低的水平。到浪 涌结束,TVS又迅速、自动地恢复为极高电阻。它的作用是保证电子设备免受浪涌过电压(雷 电过电压、操作过电压等)的破坏,既不影响设备的正常工作,又将过电压限制在相应设备 的耐压等范围内。但是在实际应用中,TVS的击穿电压并不是一个恒定值,而是在一个区间 内波动。假设被保护设备的耐压值为30V,TVS的击穿电压范围是28~33V之间,电源电压为 5V。在接通电源的瞬间,会产生超过30V的浪涌电压,如果没有击穿TVS,那么TVS不导通,浪 涌电压全部冲击被保护设备,超出了设备的耐压值,这样就会造成设备的损坏。
[0018] 如图2所示,市场上现有的浪涌保护电路在钳位电压的控制上已经有了一定的改 进。该浪涌保护电路由电压检测模块、M0SFET&、母线电容Cs组成。将电源电压输出,电压检 测模块的输入端、%的源极和设备输入端连接在一起,%的输出端和狐的栅极相连,&的 漏极接地,组成一个浪涌保护电路以代替TVS起到保护设备的作用。电压检测模块需要设置 一个低于被保护设备耐压值的恒定电压值馬,一旦输入电压超过%,电压检测模块输出值 为正电压,M0SFET导通,浪涌能量就可以通过随排出,从而保护了设备不受浪涌电压和浪涌 电流的影响。
[0019] 这种方案在技术上可以精确地设定钳位电压,有效地起到浪涌保护的作用。但是 在实际应用中,这种浪涌保护电路存在一个经济性问题。当瞬间很大的浪涌电流通过 M0SFET时,M0SFET会发热,甚至烧掉M0SFET,造成浪涌保护电路故障。因此若要让M0SFET不 被浪涌测试损坏,必须选择大功率的M0SFET,以承受浪涌能量,否则会导致M0SFET损坏从而 使浪涌保护电路失效。而在M0SFET的制造中,功率越高成本越高,过高的成本会限制了这种 浪涌保护电路的实际使用和推广。
[0020] 实施例一: 如图3所示,本低成本的浪涌保护电路,包括一个保护模块I,其输入端与电源电压IV以 及设备m输入端相连,其特征在于:所述保护模块i的输出端与一个缓冲模块π输入端相 连,缓冲模块π的另一端接地;所述缓冲模块π用低成本的元件接收从保护模块I排出的浪 涌能量并储存,在浪涌结束后缓冲模块会把浪涌能量慢慢释放出去。
[0021] 实施例二:本实施例与实施例一基本相同,特别之处如下: 所述保护模块I由母线电容%、电压检测模块和MOSFETCli组成。并联在电源垮两端, 具有一定的浪涌保护作用并能滤除后级系统的纹波。%的值不能过大,否则在拔插瞬间会 产生火花,引起前级电源电压跌落。电压检测模块的一个输入端输入可以设置的阀值$,另 外一个输入端检测输入电压。在正常情况下,保护模块不工作。当突然出现一个浪涌电压 时,由于4的值较小,无法抑制浪涌电压,电压检测模块的输入电压瞬间大于阀值%,,由于 ί的输出端接在的栅极,电压检测模块的输出电压瞬间驱动和Qi导通,浪涌电流经过贷1 流出。此时由于本方案中使用的功率MOSFETCli为廉价且功率较小,当大电流流过时会发 热甚至烧坏,因此需要在和地之间接一个缓冲模块用来储存瞬时能量。
[0022] 所述缓冲模块Π 由电容g和电阻并联组成,当1¾导通时,绝大部分浪涌电压会 加在两端,相当于给q充电,因此$两端的电压较小,的发热也很小,不会被烧毁损坏。 当浪涌结束后,截止,%中的能量通过并联在C2两端的电阻慢慢释放掉,被保护设备 继续正常工作。
[0023] 本发明提出的浪涌保护电路能及时准确地排出浪涌能量,对设备的保护效果较 好,同时使用的电路元件相对廉价,有效的降低了生产成本,因此适合推广使用。

Claims (3)

1. 一种低成本的浪涌保护电路,包括一个保护模块(I),其输入端与电源电压αν)以及 设备απ)输入端相连,其特征在于:所述保护模块(I)的输出端与一个缓冲模块(π)输入端 相连,缓冲模块(π)的另一端接地;所述缓冲模块(π)用低成本的元件接收从保护模块(I) 排出的浪涌能量并储存,在浪涌结束后缓冲模块会把浪涌能量慢慢释放出去。
2. 根据权利要求1中所述的一种低成本的浪涌保护电路,其特征在于:所述保护模块 (I)包括母线电容()、电压检测模块和MOSFET(fi );母线电容(Cs )并联在电源电压(1¾) 两端,母线电容(¾)有一定的浪涌保护作用,同时也能给后级系统滤除纹波;电压检测模块 的一个输入端(2)输入一个可以设置的阀值(¾),另外一个输入端(1)检测输入电压(4)、 输出端(3 )接在MOSFET的栅极,电压检测模块的输出作为MOSFET的驱动电压;MOSFET的源极 和设备(ΙΠ)输入端连接在一起,漏极接缓冲模块(Π),用于排出浪涌能量;工作原理:当电 源电压(¾)为设备(ΙΠ)的安全工作电压时,保护模块(I)不工作,电源电压(¾)直接输入到 被保护设备(ΠΟ;电路的接通瞬间会产生数倍甚至数十倍于正常工作电压的浪涌尖峰电 压,因此接口部分一定要增加防浪涌功能,如果不对浪涌加以限制,那么大幅超出设备耐压 值的浪涌尖峰电压会直接输入到设备中并造成设备的损坏,因此必须在设备上并联一个浪 涌保护电路来排出瞬时的浪涌能量;在保护模块(I)中,母线电容(_)的容值比较小,否则 会在插拔瞬间产生火花,引起前级电源电压跌落;当设备正常工作时,电压检测模块的输入 电压(¾)小于阀值(¾),MOSFET不能导通,浪涌保护电路不工作;浪涌测试时,母线电容(¾ )较小无法遏制浪涌电压,电压检测模块的输入电压瞬间大于阀值(¾), MOSFET导通,浪涌 能量通过MOSFET导出,从而保护了设备(0不受浪涌电流的冲击;当浪涌结束之后,设备(ΙΠ) 输入电压恢复正常值,MOSFET截止,保护模块(I)不工作,设备(ΙΠ)正常运行。
3. 根据权利要求1中所述的一种低成本的浪涌保护电路,其特征在于:所述缓冲模块 (Π )包括一个电容(¾)和一个电阻(¾);所述电容(¾)和电阻(¾)并联组成缓冲模块 (Π ),其一端接在保护模块(I)中MOSFET的漏极,另一端接地;工作原理:所述缓冲模块(Π ) 用于储存和释放浪涌能量,当电源电压(,)稳定输出时,电压检测模块输出为负,MOSFET截 止,缓冲模块(Π)中没有能量;浪涌测试时,电压检测模块输出为正,MOSFET导通,浪涌电压 加在电容(¾)两端,电容(¾)充电储存能量;当浪涌结束时,电压检测模块输出为负, MOSFET截止,此时缓冲模块(Π)的电容(¾)和电阻(:¾)构成一个回路,电容(¾)上的能量 通过电阻(%)慢慢释放出去;当MOSFET瞬间吸收非常大的能量时,容易发热损坏,造成浪涌 保护电路不能正常工作;由于缓冲模块(Π)的存在,在发生浪涌时瞬时,电容(C 2 )两端电压 不断升高,存储了一半能量,使得MOSFET瞬间吸收的能量减少了 一半,MOSFET发热情况不明 显,不会烧毁M0SFET,从而确保上级的浪涌保护电路可以正常工作;廉价的电容(C2)和电阻 (¾)组成的缓冲模块(Π)可以保护MOSFET不被烧毁,因此可以降低对保护模块(I)中的 MOSFET的性能要求,选用价格较低的MOSFET,从而降低了整个浪涌保护电路的成本。
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