多种过压保护电路设计学习笔记
- 2026-02-09 18:42:19
详细介绍了过压保护电路的多种设计方案，包括稳压二极管、稳压芯片LM431、TVS管以及TL431的应用。通过分析各个电路的工作原理，探讨了不同方案的优缺点，适合不同场景的选择，特别是强调了电路参数的选择和保护效果。文章还提到了如何结合实际产品需求和成本考虑，选择合适的过压保护电路设计。
由于目前所设计的产品呢无法实现过压保护，特意学习过压保护设计，其过压保护电路设计有以下几种：
1. 利用稳压二极管的击穿特性，设计的过压保护电路
1.1 电路实现原理如下：
当 Vin 电压输入正常范围时，稳压二极管 D1 没有被击穿，，未进入稳压状态。流过电阻R1，R1的电流基本为0。三极管Q2的Vbe=0，此时Q2处于截止状态。MOS管Q1的Vgs由电阻R3，R4分压决定，PMOS管导通，即电源正常工作。
当Vin输入大于正常输入电压，此时输入电压Vin>Vbr，稳压二极管被击穿，其上电压为Vbr。三极管Q2导通，Vce≈0，因此Q1的Vgs≈0，mos管关闭，电源电路断开，从而实现过压保护。
1.2 说明：
a、电路本身具有通用性，可以根据具体电路选择稳压二极管D1及R1的值，R1选取要注意，不能让流过D1的电流低于起稳定电流Iz，否则可能导致管子的稳定性能变差；
b、R3、R4要根据选取的mos管的Vgs来具体做调整，此处电路还有个风险，输入电压过大时可能会把mos管栅源击穿，可以考虑给栅源极加上一稳压二极管，用以保护Q1栅极。
2. 利用稳压芯片LM431做过压欠压保护电路，其典型电路如下：
输入电压高于high limit时，左边LM431的输出三级管导通，导致右边的LM431输出三极管截止，导致最右边的三极管截止，没有输出。
输入电压低于low limit是，左边LM431的输出三极管截止，这是正常的工作状态，但是输入电压低于low limit，导致R2B上的分压过小，右边LM431的输出三极管截止，最终导致最右边的三极管截止，没有输出。
这个电路的输入电压范围的low limit和high limit如上图所示。
3. 利用TVS管做过压保护
3.1 原理：单向TVS管应用于直流电路时，如下图所示。当电路正常工作时，TVS 处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到TVS（雪崩）击穿电压时，TVS 迅速由高电阻状态突变为低电阻状态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压钳制在较低的水平，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS 阻值又恢复为高阻态。
3.2 TVS管参数与选型
选用TVS管，有三个要点需要注意：
电压合适能保护后级电路；
引入的TVS的结电容不能影响电路；
TVS功率余量充足，满足测试标准，且不能比保险管先挂。
选型的过程可以按照以下的思路步骤进行：
选择TVS最高工作电压Vrmw（Vrwm≈1.1~1.2*VCC（其中VCC为电路的最高工作电压））；
选择TVS钳位电压VC（VC＜Vmax（其中Vmax为电路能承受的最高电压）；
选择TVS的功率（Ia=Ua/Ri（Ia 为最大测试电流Ua为测试电压，Ri为测试内阻））；
评估漏电流Ir的影响；
评估结电容的影响。
4. 利用TL431构成的电压精准检测电路
电路可以应用于电路中检测高低电压并输出对应的高低电平给控制电路。电路中V 为阈值电压，输出能力大于1ma。VP 为检测电路的电平输出端，输出高电压为5V，低电压为零电位。
4.1 取值计算：基准电压约为2.5v，一般计算以2.5V 计算。R5和R6电阻精度要求要高。1：求R6；R6两端电压为2.5v，根据检测电压大小和精度要求选择R6，一般取10K 以上。
2：求R5;R5两端电压U5=V-2.5；则R5=（V-2.5）/I5=（V-2.5）/（2.5/R6）
3：R4=（V-2）/1ma。R1=3R2。{V/（R1+R2+R4）}xR2≧0.6v；R3可选10K 以上阻值。
4.2 工作原理：
过电压检测时：当检测电压低于V 值时，R6两端电压小于2.5v，U1不导通，B 点电压大于Q1导通电压，Q1导通，VP 低电平。当检测电压高于V 值时，R6两端电压大于2.5v，U1导通，B 点电压小于Q1导通电压，Q1不导通，VP 高电平。
低电压检测时，工作原理与过电压检测原理相同。
4.3 仿真验真
5. 利用TL431做信号限流保护以及钳位保护
当输入电压增大，输出电压增大，导致了输出采样增大，这时内部电路通过调整使得流过自身的电流增大，这样限流电流电阻压降增大，而输出电压等于输入电压减限流电阻压降增大使得输出电压减小，实现限流与稳压。
6. 将源电压通过一系列的电路设计，通过AD（数模转换芯片或单片机内部AD）读入MCU，并执行相应的决策。
设计思路：将8v到18v中的10v压差全部映射到AD 0-3.3v的范围内，所以首先将Uo与8V做差分，将电压抬低到0-10v，然后通过电阻分压将10v映射到3.3v的范围内。
对于以上过压设计，结合实际产品与成本考虑，采用集成芯片做过压保护电路设计。
原文链接：https://blog.csdn.net/csy17729158342/article/details/128902798
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