过压保护的备用电路: 技巧和窍门

摘要：过压保护(OVP)器件用于保护后续电路免受甩负载或瞬间高压的破坏，在某些特定的应用中，基本的过压保护电路不足以胜任器件保护的要求，通常有以下两种需求。第一，电路的最大输入电压可能增大；第二，适当修改电路，可以在发生过压或欠压时利用输出电容储能保持能量。本文讨论如何针对这两种需求修改电路，将以MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398过压保护器件为例进行说明。

引言

MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398过压保护(OVP)器件用于保护后续电路免受甩负载或瞬间高压的破坏。器件通过控制外部串联在电源线上的n沟道MOSFET实现。当电压超过用户设置的过压门限时，拉低MOSFET的栅极，MOSFET关断，将负载与输入电源断开。

过压保护(OVP)器件数据资料中提供的典型电路可以满足大多数应用的需求(图1)。然而，有些应用需要对基本电路进行适当修改。本文讨论了两种类似应用：增大电路的最大输入电压，在过压情况发生时利用输出电容存储能量。


图1. 过压保护的基本电路

增加电路的最大输入电压

虽然图1电路能够工作在72V瞬态电压，但有些应用需要更高的保护。因此，如何提高OVP器件的最大输入电压是一件有意义的事情。图2所示电路增加了一个电阻和齐纳二极管，用来对IN的电压进行箝位。如果增加一个三极管缓冲器(图3)，就可以降低对并联稳压器电流的需求，但也提高了设计成本。


图2. 增大最大输入电压的过压保护电路


图3. 通过三极管缓冲器增大输入电压的过压保护电路

齐纳二极管的选择，要求避免在正常工作时消耗过多的功率，并可承受高于输入电压最大值的电压。此外，齐纳二极管的击穿电压必须小于OVP的最大工作电压(72V)，击穿时齐纳二极管电流最大。

串联电阻(R3)既要足够大，以限制过压时齐纳二极管的功耗，又要足够小，在最小输入电压时能够维持OVP器件正常工作。

图2中电阻R3的阻值根据以下数据计算：齐纳二极管D1的击穿电压为54V；过压时峰值为150V，齐纳二极管的功率小于3W。根据这些数据要求，齐纳二极管流过的最大电流为：

3W/54V = 56mA

根据这个电流，R3的下限为：

(150V - 54V)/56mA = 1.7kΩ

R3的峰值功耗为：

(56mA)² × 1.7kΩ = 5.3W

如果选择比5.3W对应电阻更小的阻值，则会在电阻和齐纳二极管上引起相当大的功率消耗。

为了计算电阻R3的上限，必须了解供电电压的最小值。保证MAX6495正常工作的最小输入电压为5.5V。例如，假设供电电压的最小值为6V，正常工作时R3的最大压降为500mV。由于MAX6495的工作电流为150µA (最大)，相应电阻的最大值为：

500mV/150µA = 3.3kΩ

图2中的R3设置为2kΩ，可以保证供电电压略小于6V时OVP器件仍可以正常工作。

注意，发生过压故障时，R3和D1 (图2)需要耗散相当大的功率。如果过压条件持续时间较长(如：几十毫秒以上)，图3所示电路或许更能胜任应用的要求。图中射极跟随器通过降低从R3与D1节点抽取的电流大大增加R3所允许的最大值。以β值为100的三极管为例，此时150µA的器件工作电流变成1.5µA。这种情况下，不能忽略5µA的二极管反向漏电流。R3为10kΩ，因此，由于漏电流在R3上产生的压降会达到50mV。

在IN和GND间使用一个1µF (最小值)的陶瓷电容。确保器件的电压范围满足输入电压的要求，须注意MOSFET的VDS_MAX额定值。

利用输出端电容储能

发生过压时，典型应用电路能够对输出电容自动放电，以保护下游电路(图4)，有些应用需要利用输出电容储存能量，并且能够在瞬间高压的条件下继续维持下游电路的供电，利用图5电路可以达到这一目的。


图4. 典型的限压电路提供输出电容放电通道

MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398通过内部100mA的电流源(见图4)连接到GATE输出，以对栅极电容和输出电容放电。电流源先对GATE放电(电流I1，绿色箭头)，直到GATE的电压等于OUTFB电压，然后断开FET，电流源继续降低GATE电压，最后，直到内部的箝位二极管变为正向偏置，对输出电容放电(电流I2，红色箭头)。


图5. 带有输出电容储能功能的过压限制电路

如果OUTFB没有连接，则断开了通过箝位二极管放电的通路，不再对输出电容放电。然而，MOSFET的栅极就不再有保护箝位二极管，VGS_MAX有可能超出额定值。

在MOSFET源极和栅极之间增加一个外部箝位二极管(图5中的D1)可重新建立输出端与100mA恒流源之间的通路。在栅极和GATE引脚之间增加一个串联电阻(图5中的R3)，将会限制输出电容的放电电流，降低电流。限制放电电流的同时会增加电路的断开时间，也降低了电路对瞬态过压的响应速度。在串联电阻两端并联一个电容(图5中的C4)可以减轻对响应时间的影响，还可以选择使用电阻R4，避免OUTFB浮空。

如果将SET外部的分压电阻连接到输出端，而不是输入端(参考上述电路图)，使MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398工作在限幅模式，发生过压时，电路会定期地对输出电容进行充电。电容电压跌落到过压门限的滞回电压以下时，MOSFET导通，对电容充电；当电容电压达到过压门限时，MOSFET断开。

图6给出了MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398工作在过压监控模式的电路。输入电压经过电阻分压后连接到SET引脚，当输入过压时，断开MOSFET，并将一直维持断开状态，直到解除输入过压故障。


图6. 过压监测模式下的过压比较配置