基于MOSFET的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)

劉 力，劉少龍，楊啟帆，李 瑞，李文衡

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，線性開關(guān)電源因其效率高、質(zhì)量輕、體積小以及輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在通信、計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。為了避免浪涌電壓擊毀敏感的自動(dòng)化設(shè)備，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作使數(shù)據(jù)丟失等，在電路中往往會(huì)采用吸收電器或者無源保護(hù)電路來抑制電壓浪涌[1-3]。本文首先總結(jié)了浪涌現(xiàn)象及其危害，并對(duì)常見的電壓浪涌防護(hù)方式進(jìn)行總結(jié)，最后提出基于MOSFET的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其防護(hù)功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，表明基于MOSFET的電壓浪涌防護(hù)具有良好的實(shí)用性。

1 浪涌概述

1.1 浪涌現(xiàn)象及危害

浪涌也被稱為瞬態(tài)過電壓，一般在百萬分之一秒內(nèi)產(chǎn)生高頻尖峰沖擊電壓或電流[4]。當(dāng)切斷空載變壓器時(shí)會(huì)出現(xiàn)高達(dá)額定電壓8～10倍的操作過電壓，雷擊浪涌也會(huì)在配電線路中引起瞬態(tài)過電壓。在低壓配電系統(tǒng)中，由于雷擊、系統(tǒng)內(nèi)開關(guān)操作及系統(tǒng)事故等原因，外部及內(nèi)部浪涌頻繁出現(xiàn)[5]。

有學(xué)者對(duì)沖擊電壓波形進(jìn)行傅里葉變換分析其頻域特性，發(fā)現(xiàn)浪涌波形的能量主要集中在較低的頻段，但浪涌波形也包含高頻成分，故沖擊電壓不僅會(huì)對(duì)電源設(shè)備和貴重的計(jì)算機(jī)及各種硬件設(shè)備造成直接的損害，也會(huì)對(duì)電子芯片造成不可恢復(fù)的損傷，使電子設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定并加速老化。同時(shí)由于其包含的高頻成分，會(huì)干擾計(jì)算機(jī)的運(yùn)行，從而會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作，數(shù)據(jù)丟失等。

1.2 常見的浪涌防護(hù)

對(duì)于浪涌現(xiàn)象可以理解為瞬間出現(xiàn)一股極高的能量沖擊，因此對(duì)于浪涌防護(hù)的核心就是使該能量可以快速消失，從而保護(hù)后端設(shè)備不受其損害。目前最常見的浪涌防護(hù)方式是在被保護(hù)設(shè)備前段加裝保護(hù)設(shè)備，這些保護(hù)器件的工作原理不同，但具有相似的伏安特性，即當(dāng)電路出現(xiàn)浪涌，保護(hù)器兩端的電壓高于其啟動(dòng)電壓時(shí)，保護(hù)器兩端的阻抗會(huì)急劇變小，使通過其的電流指數(shù)增加，而此時(shí)浪涌的總能量不變，從而使保護(hù)器兩端的電壓鉗制在安全電壓之內(nèi)，保護(hù)后端設(shè)備。最常用的浪涌抑制器大致分為限幅型、開關(guān)型以及混合型等幾種類型，它是低壓系統(tǒng)和電子設(shè)備可靠運(yùn)行的保證[6,7]。下面簡(jiǎn)單介紹幾種常見的浪涌抑制器的使用方法及特點(diǎn)。

1.2.1 瞬態(tài)電壓抑制二極管

瞬態(tài)電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）是一種新型高效電路保護(hù)器件，它具有極快的響應(yīng)速度（亞納米級(jí)）和相當(dāng)高的浪涌吸收能力[8-10]。TVS管的具體用法如圖1所示，當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，能極快地把兩端的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗找粋€(gè)瞬態(tài)大電流，從而使其兩端電壓鉗位在一個(gè)預(yù)定數(shù)值，保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高電壓尖峰脈沖的沖擊。

圖1 TVS管接線示意

1.2.2 氣體放電管

氣體放電管采用玻璃或陶瓷作為管子密封性能穩(wěn)定的惰性氣體，當(dāng)兩端的電壓達(dá)到惰性氣體的擊穿電壓時(shí)，兩極間隙被擊穿，放電管由絕緣態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài)，具體用法如圖2所示。

圖2 氣體放電管接線示意

1.2.3 壓敏電阻

壓敏電阻的伏安特性呈非線性特點(diǎn)，當(dāng)壓敏電阻兩端的電壓在其閾值以下時(shí)，電阻近似無窮大，基本無電流流過。如果其兩端的電壓超過閥值，電阻會(huì)急劇下降，可以泄放大電流。壓敏電阻在電路中具體用法如圖3所示。

圖3 壓敏電阻接線示意

2 新型浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 基于MOSFET的浪涌防護(hù)原理

MOSFET是一種單極性電壓控制型器件，具有開關(guān)速度快、工作頻率高以及不存在二次擊穿等優(yōu)點(diǎn)，可以利用其電壓控制通斷的特性完成如圖4所示的基于MOSFET的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要由一個(gè)電壓比較器、N溝道MOSFET、兩個(gè)分壓電阻以及一個(gè)濾波電容組成。當(dāng)輸入電壓在正常工作電壓范圍內(nèi)時(shí)，R1與R2之間的電壓低于Us時(shí)，比較器輸出值大于MOSFET的Ugs，MOSFET導(dǎo)通，電路正常工作。當(dāng)輸入電壓Uin出現(xiàn)尖峰浪涌電壓時(shí)，R1與R2間的電壓高于Us，比較器輸出值小于MOSFET的Ugs，MOSFET關(guān)閉，電路關(guān)斷，從而保護(hù)后級(jí)電路不會(huì)受到尖峰電壓的損傷，當(dāng)浪涌電壓過去后，MOSFET又會(huì)正常打開，電路正常工作。

圖4 浪涌防護(hù)原理示意

2.2 電路設(shè)計(jì)

LTC4364是Linear公司推出的一款具有過流保護(hù)、過壓保護(hù)以及理想二極管控制功能的過壓浪涌抑制器，其工作電壓范圍為4～80 V，最大反向輸入電壓為-40 V，通過簡(jiǎn)單地控制一個(gè)MOSFET來進(jìn)行過欠壓及浪涌防護(hù)調(diào)節(jié)保護(hù)。

本文搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單電路，原理如圖5所示，并對(duì)其工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。LTC4364的10腳和11腳分別是電路的欠壓和過壓監(jiān)控引腳，當(dāng)電路輸入電壓出現(xiàn)異常不在正常監(jiān)控范圍內(nèi)時(shí)，該芯片內(nèi)部的電壓比較器則使6腳輸出低電平D3的MOSFET關(guān)閉，進(jìn)而保護(hù)后級(jí)電路。1腳和2腳之間的電阻R8為過流保護(hù)的采樣電阻，電路出現(xiàn)過流現(xiàn)象時(shí)，R9兩端的壓差會(huì)變大，當(dāng)觸及閥值時(shí)會(huì)拉低6腳的電平，也會(huì)快速關(guān)閉MOSFET，避免后級(jí)設(shè)備發(fā)生損壞。LTC4364還具有輸出電壓鉗位功能，輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，16腳的電壓也會(huì)發(fā)生變化，而當(dāng)16腳電壓高于基準(zhǔn)電壓1.25 V時(shí)，芯片會(huì)快速拉低6腳和4腳電平，從而保證輸出電壓不會(huì)超過預(yù)設(shè)值。最后值得介紹的是該電路還具有一個(gè)可調(diào)的故障定時(shí)器，當(dāng)電路出現(xiàn)過欠壓及過流現(xiàn)象時(shí)，LTC4364芯片會(huì)給15腳上的電容充電，使15腳的電壓快速升高，也會(huì)加快MOSFET的關(guān)閉速度，故障結(jié)束時(shí)，15腳的電容會(huì)以2 μA的速度放電。當(dāng)15腳的電壓第32次降低到1.25 V且過欠壓及過流故障消失時(shí)則會(huì)使電路重啟，否則將會(huì)繼續(xù)延遲電路開啟。通過以上電路介紹，LTC4364具有良好的電壓浪涌防護(hù)功能并具有過欠壓及過流防護(hù)功能。

圖5 電路設(shè)計(jì)原理

2.3 電路仿真

為了驗(yàn)證該電路設(shè)計(jì)對(duì)電路真實(shí)的浪涌防護(hù)效果，本文使用仿真軟件LTspice對(duì)其進(jìn)行仿真。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的浪涌防護(hù)功能，設(shè)置電源輸入端前100 ms的輸入電壓為28 V，在之后加一個(gè)10 μs的60 V電壓沖擊，再然后恢復(fù)成28 V輸出。仿真結(jié)果的輸入輸出結(jié)果如圖6所示，可以看到在前100 ms內(nèi)，輸出電源隨著輸入電壓快速升到了28 V，然后當(dāng)輸入出現(xiàn)10 μs的60 V電壓沖擊時(shí)，輸出電壓很快被鉗制在29 V，避免后級(jí)電路受到損害，當(dāng)輸入電壓恢復(fù)到28 V時(shí)，輸出電壓也恢復(fù)成了28 V。通過電路仿真，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)具有良好的電壓浪涌防護(hù)效果。

圖6 仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

隨著電氣設(shè)備的精密化，電壓浪涌對(duì)設(shè)備造成的影響越來越無法被忽視，本文簡(jiǎn)單總結(jié)了電壓浪涌的危害和傳統(tǒng)浪涌防護(hù)的方法及不足，提出一種基于MOSFET的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)。通過搭建實(shí)際電路并仿真驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)基于MOSFET的電壓浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)電路具有很好的防護(hù)效果，為今后的電源設(shè)計(jì)提供了一種良好的浪涌防護(hù)方法。