一種實用的過欠壓浪涌保護電路設計

駱訓衛，宋金華，俱強偉，鄭文群

（同方電子科技有限公司，江西 九江 332002）

0 引 言

供電電網并入大型功率設備在開車或停車時，供電電網電壓的波動會非常大，輸入電壓遠高于或遠低于電子設備工作電壓，對其他電子設備帶來了嚴重的影響。輸入電壓過高時很可能損壞電子設備，輸入電壓過低時，電子設備不能正常工作，導致運行程序關閉、數據丟失。過欠壓浪涌保護電路是一款非常不錯而且實用的電路，不僅能解決輸入過壓帶來的危害，還能解決輸入過低設備不運轉的情況，該過欠壓浪涌保護電路構成簡單、成本低，響應速度快，滿足現在各標準規定的過欠壓浪涌要求，對電子設備過流和短路也提供了保障[1]。

1 原理和功能

1.1 電路原理

所設計的過欠壓浪涌保護電路工作原理框圖如圖1所示，包括過壓浪涌保護電路、理想二極管“或”電路和欠壓浪涌保護電路共三個部分組成。當直流輸入電壓過壓時，過壓浪涌保護電路設置輸出電壓在安全電壓范圍內；當直流輸入電壓欠壓時，過壓浪涌保護電路直通，欠壓浪涌保護電路輸出電壓升高到安全電壓范圍內；當直流輸入電壓在正常電壓范圍內時，過壓浪涌保護電路基本直通，欠壓浪涌保護電路不起作用，理想二極管“或”電路直通，適用于工作環境復雜或有浪涌要求的直流電子設備輸入端。

圖1 工作原理框圖

1.2 保護電路具體實現的功能

（1）當直流輸入電壓在電路正常輸入范圍時，電子設備工作電壓為直流輸入電壓[2]。

（2）當直流輸入電壓高于電路輸入過壓設定值，電子設備工作電壓為過壓浪涌保護電路設定安全電壓，實際應用時設置電壓一般略低于正常范圍的上限值。

（3）當直流輸入電壓低于電路輸入欠壓設定值，電子設備工作電壓為欠壓浪涌保護電路設定安全電壓，實際應用時設置電壓一般略高于正常范圍的下限值。

2 電路硬件設計

2.1 電路主要性能指標

（1）輸入電壓范圍為19.2 V～32.4 V，典型值為24 V。

（2）抗浪涌電壓性能。啟動電壓擾動：輸入電壓跌至6 V時，設備不關機；耐浪涌電壓沖擊：設備承受峰值100 V，脈寬500 ms的電壓沖擊后能正常工作。

2.2 保護電路具體的設計方案

2.2.1 過壓浪涌保護電路設計方案

過壓浪涌保護電路如圖2所示，主要由芯片LTC7862及其外圍電路組成。LTC7862在正常運行期間可實現100%占空比直通模式，在過壓或過流瞬態和故障以及啟動期間進行開關；工作電壓低至4 V、高至140 V，可調輸出電壓鉗位高達60 V；可采用電阻或電感器DCR進行電流檢測，能實現浪涌電流限制；具有可調輸入電壓開啟閾值和可調輸入過壓鎖定閾值[3]。

根據圖2電路所示，過壓浪涌保護電路輸出電壓經過電阻R8和R9編程鉗位在32 V。該電路具有500 ms的最短浪涌持續時間，后端負載能在整個輸入過壓期間能正常工作。采集電感L1的DCR進行電流檢測，限制輸出電流，以免受過流或輸出短路故障的影響。

圖2 過壓浪涌保護電路

當輸入電壓低于32 V時，芯片LTC7862持續地接通頂端外部N溝道MOS管V1，從而以極小的電壓降將輸入電壓一直傳遞到輸出端。

當輸入電壓處于過壓浪涌時，芯片LTC7862控制兩個外圍N溝道場效應管V1和V2，使其充當直流/直流降壓開關穩壓器穩定輸出32 V。

2.2.2 理想二極管“或”電路設計方案

理想二極管“或”電路如圖3所示，由芯片LTC4357IMS8、N溝道場效應管V7（IPB026N06N）和輸入輸出濾波電容組成。理想二極管“或”電路的輸入端與過壓浪涌保護電路的輸出端相連，輸出端與電子設備的輸入端相連。

圖3 理想二極管“或”電路

LTC4357工作電壓范圍寬到9～80 V，通過采用一個N溝道場效應管V7替代一個功率肖特基二極管來降低功耗，能夠很容易地對輸入電壓進行“或”操作，提高整個電路的效率和可靠性。在電路“或”應用中，LTC4357用于控制場效應管V7兩端的正向電壓降，以確保欠壓浪涌保護電路與理想二極管“或”電路平滑電流轉移而沒有振蕩現象。在電源發生故障或短路的情況下，0.5 μs快速關斷場效應管V7可最大限度地減小反向電流瞬變[4]。

當直流輸出電壓低于過壓浪涌保護電路輸出電壓時，芯片LTC4357IMS8的4腳輸出高電平，控制場效應管V7導通；當直流輸出電壓高于過壓浪涌保護電路輸出電壓時，芯片LTC4357IMS8的4腳輸出低電平，場效應管V7不導通,關斷“或”電路輸入與輸出。

2.2.3 欠壓浪涌保護電路設計方案

欠壓浪涌保護電路如圖4所示，由芯片LTC3786IMSE及其外圍電路組成，電路輸入輸出與理想二極管“或”電路的輸入輸出并接，兩個電路組成并聯電路。

圖4 欠壓浪涌保護電路

LTC3786是凌特公司推出的一款同步升壓型DC/DC控制器，轉換效率高達98%。以一個高效率N溝道場效應管取代了升壓型二極管以提高效率和降低功耗，這樣就可以去掉通常在中高功率升壓型轉換器中所需的散熱器。擁有強大的1.2 Ω內置N溝道場效應管柵極驅動器能夠快速轉換大的場效應管柵極，最大限度地降低了轉換損耗。輸入電壓范圍4.5～38 V，啟動后直至2.5 V都保持工作，可調節輸出電壓高達60 V。具有同步場效應管的100% 占空比能力，可運用電流檢測電阻或監測電感DCR兩端的壓降來進行電流檢測，在輸入電壓超過穩定輸出電壓時，LTC3786 能保持同步場效應管連續接通，以便輸出電壓以最低功耗跟隨輸入電壓[5]。

本欠壓浪涌保護電路輸出電壓根據實際應用編程設定為19.4 V。當從過壓浪涌保護電路過來的電壓低于設定的19.4 V時，LTC3786控制升壓電路工作，直流輸出電壓保持在19.4 V的安全值；當過壓浪涌保護電路過來的電壓高于設定的19.4 V時，輸入電壓經由理想二極管“或”電路以很小的壓降傳遞到直流輸出端。

3 保護電路仿真驗證與實際驗證

用LTspice軟件按圖2電路圖進行過壓浪涌保護電路仿真，設定正常輸入電壓24 V，過壓浪涌電壓100 V，持續時間5 ms，過壓浪涌保護電路輸入輸出電壓波形如圖5所示。

圖5 過壓浪涌保護電路輸入輸出電壓波形

從圖5過壓浪涌保護電路輸入輸出電壓波形可以看出，當輸入電壓為24 V時，輸出電壓也為24 V；當輸入電壓超過了設定的輸出電壓32 V時，輸出電壓維持在32 V；當輸入電壓恢復到正常電壓24 V時，輸出電壓也恢復到24 V。

用LTspice軟件按圖3、圖4所示的電路圖進行欠壓浪涌保護電路仿真，設定正常輸入電壓24 V，欠壓浪涌電壓6 V，持續時間5 ms，欠壓浪涌保護電路輸入輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 欠壓浪涌保護電路輸入輸出電壓波形圖

從圖6欠壓浪涌保護電路輸入輸出電壓波形可以看出，當輸入電壓為24 V時，欠壓浪涌保護輸出電壓也為24 V；當輸入電壓低于設定的輸出電壓19.4 V時，輸出電壓維持在19.4 V；當輸入電壓恢復到正常電壓24 V時，輸出電壓也為24 V。

根據圖2、圖3和圖4搭設實際電路，正常輸入電壓為24 V，過壓浪涌電壓為100 V，持續時間為500 ms，欠壓浪涌電壓為6 V，持續時間為500 ms。用雙通道示波器監測輸入和輸出電壓，過壓浪涌保護電路輸出波形圖如圖7所示，欠壓浪涌保護電路輸出波形圖如圖8所示。

圖7 過壓浪涌抑制波形圖

圖8 欠壓浪涌抑制波形圖

圖7過壓浪涌期間，輸出電壓為設定的32 V電壓，在電子設備的安全工作電壓范圍。從圖8可以看出，當欠壓浪涌期間，輸出電壓為設定的19.4 V，在電子設備的安全工作電壓范圍。不難得出，不管是過壓浪涌還是欠壓浪涌，電子設備的輸入電壓都在安全電壓范圍內。

4 結 論

本文對過壓浪涌和欠壓浪涌以及正常工作電壓時的工作原理和電路進行了詳細的介紹和講解。對過壓浪涌和欠壓浪涌保護電路，我們也通過了實例進行了電腦仿真驗證和實際電路驗證，都達到了所提要求。在實際應用中，我們可以根據本文的講解和結合自己的實際需求，設定自己需要的安全值電壓。