CN203218876U

CN203218876U - 一种正负浪涌防护电路

Info

Publication number: CN203218876U
Application number: CN 201320131647
Authority: CN
Inventors: 马海军
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2023-03-21

Abstract

一种正负浪涌防护电路，包括三极管放大电路、限流电阻、电容、二极管反偏电路和瞬态抑制二极管嵌位电路，电压输入端正Uin+一路连接三极管放大电路的集电极，另一路通过限流电阻和电容组成的并联电路连接三极管放大电路基极和瞬态抑制二极管嵌位电路阴极，三极管放大电路射极接电子设备输入端正，瞬态抑制二极管嵌位电路阴极一路连接电压输入端负Uin-，另一路连接二极管反偏电路的阴极，二极管反偏电路的阳极连接电子设备输入端负。本实用新型适合高于电子设备正常电压几倍或者几十倍的浪涌场合中，能够降低损耗功率，且避免负向浪涌进入被保护的电子设备，有效保护了电子设备正常安全的工作。

Description

一种正负浪涌防护电路

技术领域

本实用新型涉及一种浪涌防护电路,尤其涉及电子设备中一种正负浪涌防护电路。

背景技术

随着科技的发展，电子设备抗浪涌的能力越来越受到工业应用领域人士的重视。欧盟、美国、中国，都出台了相关的电磁兼容标准，规定了进入该国市场的电子设备必须拿到相应的许可证。例如：欧盟的CE认证，美国的GS认证，中国的CCC认证。各国出台的电磁兼容标准中都明确规定了相应的电子设备通过浪涌实验等级的要求。为了获得工业产品进入它国市场的通行证，相关行业的技术人员在实验室中利用浪涌发生仪器进行模拟。在众多的冲击实验中，短时如uS级的高压浪涌冲击和稍长时间如mS级的过压冲击涵盖了大部分浪涌标准的要求。

通常情况下，电子设备如直流电源、温度继电器、LED驱动器等的输入端都会连接一个瞬态抑制二极管TVS管和限流电阻进行简单的低级浪涌信号防护，如图1所示，电压输入端Uin+通过一限流电阻R1连接电子设备输入端正和TVS管阴极，电压输入端Uin-连接电子设备输入端负和TVS管阳极。

一般，单一TVS管受到瞬间高压冲击时，它能以pS级的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的瞬间浪涌功率，使两极间的电压钳位于一个预定值，有效保护电子设备的输入电压在其工作范围内。并且，TVS管高压击穿后其残压低，其钳位电压值选取灵活，虽然其脉冲峰值电流最大不过上百安培，但是由于电阻R1的限流作用，可以避免在进行正向的瞬态尖峰高压冲击实验时TVS管发生过电流失效险。另外，TVS管属于瞬态尖峰抑制器件，在稍长时间如mS级的过压冲击下，限流电阻R1也可避免TVS管因为长时间的过流而损坏的风险。

但是，图1所示的浪涌防护电路存在以下缺点：

如果电子设备的等效阻抗低于TVS管正向导通的内阻或两者阻抗相差不大时，负向的浪涌电流除了会通过正向导通的TVS管回到电路的输入正端以外，还会进入电子设备，容易对电子设备造成冲击损坏。而且，当工作电流较大如 mA级别时，电阻值的选取非常的棘手，会带来较大的损耗，降低系统效率。为了更清楚的说明这一问题，引用其部分内容进行分析。

电路浪涌瞬间TVS管的等效功率为Pmax，受保护的电子设备等效内阻为Reut，TVS管的钳位电压为Vc，受保护的电子设备最大工作电压为Vmax，TVS管反向击穿时的等效电阻为Rtvs，假设浪涌瞬间电压值Vin为100V，Pmax为100W，Reut为100Ω，Vc=40V，Vmax=50V，Rtvs=2Ω；

在Pmax条件下，可计算得到：

I_{\max} = \frac{P_{\max}}{V_{c}} = \frac{100}{40} = 2.5 A

则有

I = \frac{Vin}{(R 1 + (Rtvs + Reut))} = \frac{100}{(R 1 + (2 / / 100))} \approx \frac{100}{(R 1 + 19.6)} = 2.5 A

则可计算出R1=38.04Ω。

则浪涌瞬间电阻R1承担的功耗为：P_R1=I²R=2.5²·38.04=237.75W

根据其提供的假设条件，在浪涌瞬间电阻上承当的功耗比TVS管还要大，这是不合理的参数设定所导致的，和图1电路本身的工作原理并无冲突之处。但是从计算的过程中可以说明，该电路容易引起电阻烧毁。而且几十欧姆的电阻值串接在电路中，只适宜应用在微小的输入电流的场合。

实用新型内容

有鉴如此，本实用新型的目的在于提供一种正负浪涌防护电路，适合高于电子设备正常电压几倍或者几十倍的浪涌场合中，能够降低损耗功率，且避免负向浪涌进入被保护的电子设备，有效保护了电子设备正常安全的工作。

本实用新型的目的是通过以下技术措施实现的：一种正负浪涌防护电路，包括三极管放大电路、限流电阻、电容、二极管反偏电路和瞬态抑制二极管嵌位电路，电压输入端正Uin+一路连接三极管放大电路的集电极，另一路通过限流电阻和电容组成的并联电路连接三极管放大电路基极和瞬态抑制二极管嵌位电路阴极，三极管放大电路射极接电子设备输入端正，瞬态抑制二极管嵌位电路阴极一路连接电压输入端负Uin-，另一路连接二极管反偏电路的阴极，二极管反偏电路的阳极连接电子设备输入端负。

在正常工作条件下，瞬态抑制二极管截止，输入电压通过限流电阻和电容使三极管工作在射极输出器的状态，输出电压比输入电压低一个管压降Uce，通过三极管的选型和限流电阻的取值，可以将Uce控制在1-2V左右，不会影响电子设备正常工作。并且通过限流电阻的电流值非常的小，损耗也小。

当短时如uS级正向高压瞬态浪涌信号进入电压输入端Uin+时，由于电容两端电压瞬间条件下不能突变，提供了一条低阻抗路径，加快了防护电路对浪涌信号的反应，浪涌信号直接通过电容作用于瞬态抑制二极管,使其快速响应，并且不会对瞬态抑制二极管造成损坏。瞬态抑制二极管被击穿后产生的电流对电容进行充电，电容泄放了大量的浪涌信号，同时电容也在充电，限流电阻两端逐渐建立电压，当电容充满电后，浪涌电流全部流经限流电阻。电容的泄放作用和电阻的限流作用有效保证了瞬变抑制二极管的快速反应和避免长时间过电流损坏。三极管工作在射极输出器状态，瞬态抑制二极管两端的电压和三极管的Vbe之间的压差就是输出电压。在瞬变抑制二极管击穿之后，其两端的电压稳定在一个固定值，因此输出电压被瞬变抑制二极管两端的电压箝制。

当负向浪涌信号进入电路时，由于二极管的反偏作用，信号不能进入后级电子设备，而流向瞬态抑制二极管，此时，瞬态抑制二极管正向导通，浪涌信号被限流电阻和电容的吸收和泄放。由于二极管的反偏作用，电子设备负电压端电位没有改变，与三极管射极电位之间的压差保持在电子产品正常工作电压范围内，不会影响电子设备正常工作。电阻与电容并联的支路提供了一条低阻抗的回路泄放负向浪涌信号，阻止了负向浪涌进入电子设备，避免造成电子设备损坏。

为了使电路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中，所述的瞬态抑制二极管可由多个瞬变抑制二极管串联组成进行替代使用。

为了提高三极管放大倍数，进一步减小流过限流电阻的基极电流，增加电阻选取的灵活性，降低电路损耗，三极管可由两个或两个以上晶体管组成的达林顿结构代替使用。

为了进一步降低压降、提高整机效率，具有反偏作用的二极管可由两个或者两个以上的二极管并联使用进行替代。

相比于现有技术，本实用新型具有以下技术效果：

（1）由于采用了上述正负浪涌防护电路，通过三极管选型和设置限流电阻阻值，可以保证电路的输出电压在被保护的电子设备的正常工作输入电压范围内。

（2）反偏二极管可以阻止负向浪涌进入电子设备，与电阻和电容提供的低阻抗泄放回路一起，有效进行了浪涌防护，保证电子设备正常工作。

（3）由于三极管的放大作用，流过限流电阻的电流值比较小，电阻的取值也非常的灵活，可以充分保证瞬态二极管不因过流而损坏，有效降低电阻损耗及电路的整体损耗。

附图说明

图1为现有技术中浪涌防护电路；

图2为本实用新型最佳实施例。

具体实施方式

图2示出了本实用新型最佳实施例的一种正负浪涌防护电路，包括三极管Q1、限流电阻R1、电容C1、二极管D1和瞬态抑制二极管TVS管，电压输入端正Uin+一路连接三极管Q1的集电极，另一路通过限流电阻R1和电容C1组成的并联电路连接Q1基极和瞬态抑制二极管TVS管阴极，Q1射极接电子设备输入端正，TVS管阴极一路连接电压输入端负Uin-，另一路连接二极管D1的阴极，D1的阳极连接电子设备输入端负。

本实施例电路在电压正常输入时，TVS管处于截止状态，三极管Q1工作在射极输出的状态。电路的输出电压Uo=Uin-Uce，通过三极管Q1的选型和电阻R1取值，可以将Uce控制在1-2V左右，输入电压和输出电压之间的压差非常的小，不会影响电子设备正常工作。

当短时如uS级正向高压瞬态浪涌信号通过电容C1击穿TVS管，TVS管两端电压维持一个稳定值。瞬态浪涌波动引起输入电压Uin变大，输出电压即三极管Q1发射极电位Ue升高；而TVS管两端电压基本维持不变，即三极管基极电位Ub基本不变；因此晶体管的Ube=(Ub-Ue)减小，导致Ib(Ie)减小，但输出负载是固定的，从而使电路的输出电压减小，最后输出电压Uo稳定在Ub-Ube。输出电压为：Uo=U_TVS-Ube，三极管Q1的基极和发射极电位差及Ube在0.7V左右，电路的输出电压基本由TVS管钳位电压决定，所以TVS管需要根据被保护电子设备的最大工作电压选择。

由于三极管的电流放大作用，本实用新型电路中流过限流电阻R1的电流值非常的小，因此R1的取值非常灵活，保证在浪涌瞬间R1可以对TVS管进行限流，TVS管不会因为过流而损坏，而且电路的效率不会因为电阻R1的增大受到很大的影响。

当电路输入端Uin+受到负向的浪涌冲击时，由于二极管D1的反偏作用，浪涌信号不能进入后级被保护的电子设备，此时TVS管正向导通，将大量浪涌电流通过电容C1或电阻R1泄放到电路的正端。浪涌瞬间二极管D1阳极端即电子产品负端的电位并没有发生改变，因此相对于三极管Q1的发射极电位Ue来说，电子产品的输入电压仍在其工作范围内。另外，可以通过选取电容容值和电阻阻值将负向浪涌控制在一个非常小的范围内。

上述本实用新型最佳实施例中，TVS管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管串联使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，三极管Q1可由两个或两个以上晶体管组成的达林顿结构代替使用，与本实用新型最佳实施例工作原理相类似，其区别仅在于可以提高三极管放大倍数，进一步减小流过电路R1的基极电流，增加电阻R1选取的灵活性，有效降低电路损耗。

上述本实用新型最佳实施例中，具有反偏作用的二极管D1可由两个或者两个以上的二极管并联使用进行替代，与本实用新型最佳实施例工作原理相类似，其区别仅在于可以进一步降低压降，提高整机效率。

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

1.一种正负浪涌防护电路，其特征在于：包括三极管放大电路、限流电阻、电容、二极管反偏电路和瞬态抑制二极管嵌位电路，电压输入端正Uin+一路连接三极管放大电路的集电极，另一路通过限流电阻和电容组成的并联电路连接三极管放大电路基极和瞬态抑制二极管嵌位电路阴极，三极管放大电路射极接电子设备输入端正，瞬态抑制二极管嵌位电路阴极一路连接电压输入端负Uin-，另一路连接二极管反偏电路的阴极，二极管反偏电路的阳极连接电子设备输入端负。

2.根据权利要求1所述的一种正负浪涌防护电路，其特征在于：所述瞬态抑制二极管嵌位电路采用一个瞬态抑制二极管或至少两个瞬态抑制二极管串接组成。

3.根据权利要求1所述的一种正负浪涌防护电路，其特征在于：所述三极管放大电路由一个放大三极管或至少两个晶体管组成的达林顿结构组成。

4.根据权利要求1所述的一种正负浪涌防护电路，其特征在于：所述二极管反偏电路采用一个二极管或至少两个二极管并联组成。