CN203166497U - 一种防浪涌直流保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种防浪涌直流保护电路，包括第一级防护电路、第二级防护电路和第三级防护电路，所述的第三级防护电路包括瞬变抑制二极管、功率MOS管、限流电阻、泄放电阻、第一二极管、第二二极管和驱动电路；功率MOS管的漏极连接第二级防护电路的一输出端，源极依次通过正向串接的第一二极管、第二二极管、限流电阻连接功率MOS管的栅极，瞬变抑制二极管的阴极连接第二二极管和限流电阻的连接点，阳极接第二级防护电路另一输出端，驱动电路连接于第一二极管和第二二极管的连接点与功率MOS管的漏极之间。本实用新型中浪涌信号经过第一、二级防护电路作用后产生的高残压进一步通过第三级防护电路的作用，防护电路输出残压低，保证后接电路的输入电压在正常的范围内。

Description

一种防浪涌直流保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种防浪涌直流保护电路，特别涉及一种更宽电压输入的适用于雷击浪涌等级的防浪涌直流保护电路。

背景技术

目前各种工业设备应用的DC-DC电源在其工作的环境中很容易受到不同程度的瞬间浪涌信号的冲击。这一浪涌冲击不仅仅源于其系统本身，更多的是由于电网传输带来的浪涌冲击。当电源供电传输线受到雷击闪电的冲击，传输线就会将感应到的雷击浪涌信号输入到电源设备。浪涌冲击可导致电源产品内部半导体器件损伤、电源短时掉电等现象，也会造成电源负载的通信设备通信中断、CPU复位，时间稍长的浪涌信号可能直接损坏电源设备，导致依赖电源供电的工业设备瘫痪。为此现在某些工业应用中提出了DC-DC电源需要满足电磁兼容浪涌（冲击）抗扰度试验的要求。但是DC-DC电源多为低压输入，为减小体积和成本，其内部功率管器件的耐压值不可能做到很高。同时高耐压值的功率半导体器件其导通内阻也比较大，影响电源整机的效率。所以需要设计专门的浪涌保护电路来保证DC-DC电源通过浪涌（冲击）抗扰度的实验，关于需要通过的浪涌测试的等级要求，应该根据具体的应用实际情况进行选择。

现有技术中比较常用的抗雷击浪涌保护电路如图1所示，包括第一级、第二级、第三级浪涌防护电路，第一级防护电路由三个压敏电阻MOV1、MOV2、MOV3组成，MOV2和MOV3串联后与MOV1并联连接在信号输入端Vin+和Vin-之间。第二级防护电路由共模电感L1和电容C1组成，L1两个绕组的同名端1和4分别连接信号输入端Vin+和Vin-，C1并联在L1两绕组异名端2和3。第三级浪涌防护电路由瞬变抑制二极管TVS1组成，与电容C1并联。当有较低的浪涌信号进入电子设备时或在1KV左右的浪涌（冲击）抗扰度实验中，浪涌信号经过第一级防护电路的抑制和泄放，并在第二级防护电路的共模电感L1对浪涌电流的延时性和电容C1对浪涌电压的平滑作用下，被第三级浪涌防护电路的瞬变抑制二极管TVS1嵌至在一定的电压值内，从而更好地保护DC-DC开关电源或其它电子设备。

压敏电阻MOV1-MOV3的瞬时峰值电流的通流量高达几千安培，是作为雷击浪涌前级保护电路最理想的器件，但是其电压抑制精度低，残压非常的高，响应时间为nS级。而瞬变抑制二极管瞬态峰值电流的承受能力从几十安培到几百安培，其响应时间为pS级、残压低、钳位电压值选取灵活，一般作为雷击浪涌防护器件的后级保护电路。而连接在第一级防护电路与第三级防护电路之间的电感和电容可以限制电流突变，防止瞬变抑制二极管先于压敏电阻导通而过流损坏。但是电感受到体积和成本的限制不可能做到很大，当浪涌冲击比较大时，如2KV或4KV浪涌信号，电感承受浪涌电流瞬间会出现饱和现象，此时浪涌电流会直接流入后级的瞬变抑制二极管器件中，瞬变抑制二极管必然会因为过流而损坏。为了避免电感的饱和问题，也可在第二级防护电路中串接功率电阻，但是会带来功率损耗，影响整个保护电路的工作效率。

另外，业内一些人士还利用线性电源的基本结构组建了另外一种防电压瞬变和浪涌的保护电路，如图2所示，也包括三级防护电路，第三级防护电路包括驱动电路、功率MOS管Q1、稳压二极管Z1、Z2和Z3、电容C1和C2，限流电阻R1、分压电阻R3和R4、精密稳压芯片TL431、二极管D1和D2，第一、二级防护电路与图1中两级防护电路的连接方式和工作原理一样。功率MOS管Q1的漏极连接第二级防护电路的共模电感L1绕组的第2端，源级一路经过D1、D2和限流电阻R1连接Q1的栅极，另一路通过分压电阻R3和R4连接电感L绕组的第3端，Q1的源级连接稳压二极管Z3的阴极，栅极连接Z3的阳极，TL431的阴极连接R1和D2的连接点，阳极连接电感L绕组的第3端，取样端连接R3和R4的连接点，电容C2和稳压二极管Z1并联在TL431两端，电容C3和稳压二极管Z2与R4并联，D1和D2的连接点通过驱动电路连接Q1的漏极。

在电路正常工作时，驱动电路提供功率MOS管Q1栅源偏置电压，Q1处于完全导通状态，电路正常输出。当有浪涌信号进入电子保护电路时，信号经过第一、二级防护电路后流经功率MOS管Q1，Q1的源级电压超过一定幅值，利用电阻R2和R3和精密电压基准芯片TL431组成负反馈稳压电路拉低Q1的栅极电压，将DC-DC电源的输入端电压稳定在设定的电压值，从而嵌定了浪涌电压。但是该电路只是简单的将线性稳压电源的基本电路运用到DC-DC开关电源或者其它电子设备的前端作为浪涌保护电路，在实际的浪涌测试中该电路存在不足之处。

首先，TL431器件的最大工作电压为37V，该保护电路的输出电压范围必然会受到TL431最大工作电压的限制。保护电路无法应用到其他电压输入要求的DC-DC开关电源的前端。即使在TL431的阴极回路串接分压电阻来规避这个问题，但是该电阻的分压需要同时保证浪涌瞬间TL431不因过压而损坏，又要保证电阻带来的限流作用影响浪涌瞬间Q1的工作状态，难以选取电阻满足浪涌瞬间TL431和Q1的工作要求。

其次，TL431的工作电流范围为1mA-100mA，动态响应时间为uS级，在雷击浪涌实验过程中响应速度慢，而且TL431存在失效的风险，不能达到有效钳位的目的，也无法保证电源通过不同等级要求的雷击浪涌（冲击）抗扰度实验。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种防浪涌直流保护电路，适用于宽电压输入的DC-DC开关电源中，可以满足GB/T17626.5-2008/IEC 61000-4-5:2005电磁兼容浪涌（冲击）抗扰度的要求。

本实用新型的目的是通过以下技术措施实现的：一种防浪涌直流保护电路，包括第一级防护电路、第二级防护电路和第三级防护电路，所述的第三级防护电路包括瞬变抑制二极管、功率MOS管、限流电阻、泄放电阻、第一二极管、第二二极管和驱动电路；功率MOS管的漏极连接第二级防护电路的一输出端，源极依次通过正向串接的第一二极管、第二二极管、限流电阻连接功率MOS管的栅极，瞬变抑制二极管的阴极连接第二二极管和限流电阻的连接点，阳极接第二级防护电路另一输出端，驱动电路连接于第一二极管和第二二极管的连接点与功率MOS管的漏极之间。

所述的第三级防护电路还包括一泄放电阻，连接在功率MOS管的源极与栅极之间。

所述的瞬变抑制二极管可以是至少两个瞬变抑制二极管串联使用。

所述的功率MOS管可以是至少两个MOS管并联使用，各相同引脚对应连接。

本实用新型的工作原理是：在电路正常工作时，驱动电路提供主功率MOS管栅源偏置电压保证MOS管处于完全导通的状态。当浪涌信号出现时，经过第一级防护电路的抑制和泄放，再通过第二级防护电路的平滑滤波后进入第三级防护电路的主功率MOS管中。此时理想的MOS管相当于一个闭合的开关，MOS管源级的高压会被串接在回路中的瞬变抑制二极管进一步进行钳位。同时瞬变抑制二极管也会将MOS管的栅极电压信号拉低，使其栅源偏置电压下降，此时MOS管栅源间结电容就要通过泄放电阻和反向导通的瞬变抑制二极管进行放电，MOS管串接在电路中相当于一个阻值可变的功率电阻，对瞬变抑制二极管进行限流保护，避免发生过流击穿损坏，所以在浪涌冲击的过程中即使浪涌电流非常大，足以使感性器件饱和，仍然有功率MOS管退饱和过程限制浪涌电流的大小，达到保护TVS管的目的。当浪涌信号消失以后，瞬变抑制二极管关断，MOS管栅源偏置电压重新建立，并又处于完全导通的状态。

相比于现有技术，本实用新型具有以下技术效果：

浪涌信号经过第一、二级防护电路作用后产生的高残压进一步通过第三级防护电路的作用，防护电路输出残压低，保证后接电路的输入电压在正常的范围内。其中，功率MOS管的限流作用避免了瞬变抑制二极管过流击穿的危险，发挥了瞬变抑制二极管的嵌位作用，响应速度快，吸收浪涌能力强。另外可调节瞬变抑制二极管的参数或者使用多个串联的瞬变抑制二极管满足其他电压输入的DC-DC开关电源，应用灵活，成本低，开发周期短。在大功率和大电流或者高等级浪涌防护要求的应用条件下，还可以使用多个MOS管并联。

附图说明

图1为现有技术抗雷击浪涌保护电路原理图；

图2为现有技术另一种防电压瞬变和浪涌的保护电路原理图；

图3为本实用新型最佳实施例的电路原理图；

图4为本实用新型最佳实施例实验波形。

具体实施方式

图3示出了本实用新型最佳实施例的一种防浪涌直流保护电路，主要包括第一级防护电路、第二级防护电路和第三级防护电路，其中，第一级防护电路和第二级防护电路与图1所示抗雷击浪涌保护电路的结构组成及连接关系都相同，在此不再一一说明。

本实用新型最佳实施例的一种防浪涌直流保护电路其第三级防护电路包括瞬变抑制二极管TVS1、功率MOS管Q1、限流电阻R1、泄放电阻R2、第一二极管D1、第二二极管D2和驱动电路。功率MOS管Q1的漏极连接第二级防护电路的输出端，源极依次通过正向串接的第一二极管D1和第二二极管D2、限流电阻R1后连接功率MOS管Q1的栅极，第二二极管D2和限流电阻R1的连接点接瞬变抑制二极管TVS1的阴极，瞬变抑制二极管TVS1的阳极接第二级防护电路的输出端（即电路输出负），驱动电路连接在第一二极管D1和第二二极管D2的连接点与功率MOS管Q1的漏极之间。

本实用新型最佳实施例的一种防浪涌直流保护电路的工作原理为：

在电路正常工作时，驱动电路提供主功率MOS管Q1栅源偏置电压保证Q1处于完全导通的状态。当信号输入端出现浪涌信号时，第一级防护电路的压敏电阻首先对浪涌信号进行抑制和泄放，再通过第二级防护电路对该浪涌信号波形进行平滑滤波后进入第三级防护电路的主功率MOS管Q1中，限流电阻R1可防止在浪涌瞬间主功率MOS管Q1由于结电容和寄生电感引起的Vds和Vgs间波形振荡，增强Q1工作的稳定性。浪涌瞬间理想的MOS管相当于一个闭合的开关，MOS管Q1源级的高压通过正向导通的二极管D1和D2击穿瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管TVS1可以按照设定好的参数对MOS管源级的过压进行钳位。浪涌瞬间反向导通的瞬变抑制二极管TVS1和泄放电阻R2为MOS管Q1栅源结电容提供放电回路，MOS管Q1的退饱和过程相当于一个阻值可变的功率电阻，其串接在回路中对瞬变抑制二极管TVS1进行限流保护，避免TVS1发生过流击穿损坏。当浪涌信号消失以后，TVS1关断，Q1栅源偏置电压重新建立，Q1又处于完全导通的状态。

为了进一步说明本实用新型最佳实施例的一种防浪涌直流保护电路的有益效果。将本实用新型电路应用到一种DC-DC开关电源的前端作前级浪涌保护电路，在+2KV浪涌等级条件下采集电路各部分输出波形，如图4所示。浪涌信号在第一、第二级防护电路后仍然有120V左右的残压，如波形1；经过第三级防护电路后信号如波形2；残压非常低，该残压信号进入开关电源后没有引起输出电压掉电，而且开关电源输出电压稳定无抖动，如波形3所示，可提供后续设备安全有效的工作。波形1的残压值和压敏电阻的选取有直接的关系，该应用实例中开关电源的输入电压是24V，选取压敏电阻为20D470K，如果开关电源的输入电压更高，选取的压敏电阻值更大，前级保护电路的输出残压还会更高。

上述本实用新型最佳实施例中，功率MOS管Q1可由多个MOS管并联组成进行替代，与本实用新型最佳实施例工作原理相类似，其区别仅在于多个MOS管可适用在大功率和大电流的应用条件下，减小MOS管的损耗，提高整个保护电路的工作效率。

上述本实用新型最佳实施例中，瞬变抑制二极管TVS1可由多个瞬变抑制二极管串联组成进行替代，与本实用新型最佳实施例工作原理相类似，其区别仅在于多个TVS管串钳位电压点更加的灵活、多样，适用于更高、更宽的电压输入场合。

上述本实用新型最佳实施例中，用于在浪涌过程中提供MOS管GS间结电容放电的泄放电阻R2用图2所示的稳压管Z3替换，或者省去，同样能够实现本实用新型最佳实施例所能实现本实用新型的目的，其原理与上述实施例一的工作原理相同。

上述本实用新型最佳实施例中，用于限流作用的电阻R1可以省去，同样能够实现本实用新型最佳实施例所能实现本实用新型的目的，其原理与上述实施例一的工作原理相同。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种防浪涌直流保护电路，包括用于对浪涌信号进行抑制和泄放的第一级防护电路、用于对浪涌信号进行延时和平滑的第二级防护电路和第三级防护电路，其特征在于所述的第三级防护电路包括瞬变抑制二极管、功率MOS管、限流电阻、第一二极管、第二二极管和驱动电路；功率MOS管的漏极连接第二级防护电路的一输出端，功率MOS管的源极依次通过正向串接的第一二极管、第二二极管、限流电阻连接功率MOS管的栅极，瞬变抑制二极管的阴极连接第二二极管和限流电阻的连接点，瞬变抑制二极管的阳极接第二级防护电路另一输出端，驱动电路连接于第一二极管和第二二极管的连接点与功率MOS管的漏极之间。 

2.根据权利要求1所述的防浪涌直流保护电路，其特征在于所述的第三级防护电路还包括一泄放电阻，连接在功率MOS管的源极与栅极之间。 

3.根据权利要求1或2所述的防浪涌直流保护电路，其特征在于所述的瞬变抑制二极管为至少两个瞬变抑制二极管串联使用。 

4.根据权利要求3所述的防浪涌直流保护电路，其特征在于所述的功率MOS管为至少两个MOS管并联使用，各相同引脚对应连接。 

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