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过压保护电路设计方案详解

过压保护电路是电子设备中不可或缺的一部分，用于防止输入电压超过设定值，从而保护后级电路免受损坏。以下是几种常见的过压保护电路设计方案及其工作原理、优缺点和应用场景。

稳压二极管过压保护电路

工作原理

稳压二极管（Zener Diode）在反向电压达到其击穿电压时，会进入击穿状态，将电压钳位在击穿电压附近。

当输入电压超过稳压二极管的击穿电压时，稳压二极管导通，将多余电压分流到地，从而保护后级电路。

电路设计

优点

电路简单，成本低。响应速度快，适合低功率应用。

缺点

稳压二极管的功率有限，不适合高功率场景。击穿电压固定，灵活性较差。

应用场景

低功率电源电路。简单的过压保护需求。

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。

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。

稳压芯片 LM431 过压保护电路

工作原理

LM431 是一种可调稳压芯片，通过外部电阻设置参考电压。当输入电压超过设定值时，LM431 导通，触发保护电路。

电路设计

计算公式：

优点

可调参考电压，灵活性高。响应速度快，保护效果好。

缺点

需要外部电阻设置参考电压，电路稍复杂。成本较高，适合中高功率应用。

应用场景

中高功率电源电路。需要精确过压保护的场景。

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。

TVS 管过压保护电路

工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressor）管是一种瞬态电压抑制器，能够在瞬间吸收高能量，将电压钳位在安全范围内。

当输入电压超过 TVS 管的击穿电压时，TVS 管迅速导通，将多余电压分流到地。

电路设计

原理：单向TVS管应用于直流电路时，如图所示。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。

TVS管参数与选型

优点

响应速度极快，适合瞬态过压保护。能够吸收高能量，适合高功率场景。

缺点

成本较高。适合瞬态过压保护，不适合持续过压保护。

应用场景

瞬态过压保护，如雷击、静电放电（ESD）保护。高功率电源电路。

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。

 TL431 过压保护电路

工作原理

TL431 是一种可调稳压芯片，通过外部电阻设置参考电压。当输入电压超过设定值时，TL431 导通，触发保护电路。

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。

优点

可调参考电压，灵活性高。响应速度快，保护效果好。

缺点

需要外部电阻设置参考电压，电路稍复杂。成本较高，适合中高功率应用。

应用场景

中高功率电源电路。需要精确过压保护的场景。

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。

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。

求R5;R5两端电压U5=V-2.5；则R5=（V-2.5）/I5=（V-2.5）/（2.5/R6）

R4=（V-2）/1ma。R1=3R2。{V/（R1+R2+R4）}xR2≧0.6v；R3可选10K 以上阻值。

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。

仿真验真

电路图：

实际结果：

利用TL431做信号限流保护以及钳位保护

实际波形

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。

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。

总结：

过压保护电路是电子设备中的重要部分，用于防止输入电压超标，保护后级电路。稳压二极管、LM431、TVS管和TL431等几种过压保护电路设计方案。每种方案都有其工作原理、优缺点和适用场景。稳压二极管电路简单成本低，但功率有限；LM431和TL431电路可调性高，保护效果好，但电路稍复杂，成本较高；TVS管响应速度快，适合瞬态过压保护。选择过压保护电路时，需根据具体应用需求和电路参数进行综合考虑，以确保电路的稳定性和可靠性。