浪涌

浪涌，相信不少學習過電子的同學或多或少都通過這個詞，但是到底什么是浪涌呢，GPT給我的答案是這樣的：

浪涌，也稱為瞬態浪涌，是電路中突然出現的瞬間高電壓或高電流的變化。這種變化通常持續時間非常短暫，但卻可能對電子設備和電路造成嚴重的損害。浪涌事件可能是由多種原因引起的，其中包括：

1. 閃電擊中：當閃電直接或間接擊中電力線路或設備時，會產生巨大的電壓和電流浪涌，進而影響到連接在電力網絡上的設備。

2. 電源切換：在工業和商業領域，電源系統的開關操作（如切換到備用電源或故障切換）可能會導致電壓或電流的瞬時變化，從而引發浪涌。

3. 電感耦合：在電路中存在電感元件時，電感與電流的突然變化可能會導致電感中產生的自感電壓或互感電壓，從而引發浪涌。

4. 高能量裝置啟動：某些高能量設備的啟動，如電動機、變壓器等，可能會引起電力系統中的瞬時電壓和電流波動，從而產生浪涌。

浪涌事件的特點包括：

• 瞬時性：浪涌事件的持續時間非常短暫，通常在微秒或毫秒級別。
• 高幅值：浪涌事件的電壓或電流幅值可能遠遠超出電路正常工作范圍。
• 頻繁性：在某些環境中，如雷電頻繁的地區或電網負荷變化大的場所，浪涌事件可能會頻繁發生。

浪涌保護器件的分類與原理

在以往的電路設計過程中，我們都是基于一個理想的狀態進行設計的，理想的系統輸入是穩定的，沒有過充、負壓和短路的情況，但在實際的系統中,可能會存在以下幾種情況：

1. 過充：浪涌、靜電、諧振等導致
2. 反壓：輸入反接導致
3. 短路：輸入電容或TVS二極管等器件失效導致

這就要求我們設計的電路具有浪涌抑制、過壓防護、過流防護的能力。通常我們的做法是在電路中中增加以下元器件，比如保險絲、防反接二極管、TVS二極管、電容電感等。如圖：

確實，這樣的方式在通常的常用是夠用的，但是對于一些要求比較高的場合，也會存在一些缺點：

1. 尺寸大：在有些場合，我們會采用電容和電感搭配使用的方式，對輸入電壓進行濾波處理，會導致電路的體積增大
2. 鉗位效果差：TVS二極管D12是用來吸收輸入的尖峰電壓的，當輸入電壓高于一定值時，TVS二極管反向導通，吸收多余的多余的功率，把輸入電壓鉗位在某一值，但是實際上，TVS二極管的鉗位電壓與通過的電流有關，所以鉗位的效果往往不是很好，
3. 防反接二極管損耗大：D13是用來放反接的，正常情況下，二極管D13是導通的，在上面會存在一個壓降，上面的損耗也挺大的
4. 過流不可恢復：F1是保險絲，用來防止短路造成的電流過大，但是F1一般是一次性的，短路后會熔斷，不可恢復
5. 不能有效處理長時間的過壓：TVS二極管的作用是吸收瞬態的過沖，對于長時間的過壓，會導致TVS二極管燒毀
6. 輸入斜率不可控：指的是當輸入接入后，輸出也隨之存在，沒有辦法做到軟啟動。

下面我們來仔細了解以下這些元器件的工作原理

保險絲

保險絲作為一種電流過載保護裝置，其工作原理是在電流超過保險絲額定值時，保險絲內部的導體會瞬間熔斷，切斷電路，防止過大電流對電路和設備造成損害。

常見的保險絲有一次性保險絲和可恢復保險絲兩種，可恢復保險絲實際上是PTC熱敏電阻，當電流過大時，熱敏電阻的溫度上升，阻值變得很大，從而實現保險絲的保護功能。但無論是哪一種保險絲，都存在以下幾個問題：

1. 反應速度慢，當保險絲開啟保護時，電路中電流往往已經流了一段時間了，可能電路中有的元器件已經損壞了。
2. 不準確：即使是同一批生產的保險絲，他們的額定電流和最大電流也有可能不一樣
3. 尺寸大：越大的額定電流，保險絲的尺寸越大。

除此之外，還有一種電子保險絲，原理時通過采樣電阻，對輸入電流進行檢測，進而控制電路的斷開與閉合：具有過流檢測、可控制電路通斷、可恢復等功能，同時也存在電路復雜，尺寸大、成本高等特點。

TVS二極管

TVS（Transient Voltage Suppression）二極管是一種常用于浪涌保護的主要器件之一，利用二極管的雪崩擊穿特性

下面是TVS二極管的一些重要參數：

• TVS二極管的擊穿電流： i = （Vbat - Vclamp）/Ri 其中：Vbat = 電池電壓 ，Vclamp = TVS的響應電壓 ，Ri = TVS的等效電阻
• 響應電壓：小于這個電壓，TVS二極管不導通，大于這個電壓，TVS二極管導通
• 鉗位電壓：指的是TVS二極管導通時兩端的電壓
• 允許功率：指的是TVS二極管在反向導通的一段時間內能夠承受的最大功率。這個參數取決于溫度、電壓、脈沖和次數等參數，在實際設計中往往很難把握，至少對于現在的的我來說是這樣的。

而且TVS二極管也存在以下問題：

• 擊穿點的離散性較大：就算是同一批生產的TVS二極管，相應電壓也會有所不同，離散性較大。
• 擊穿特性不是很好：隨著TVS二極管兩端的電壓上升，TVS被擊穿的電流也會隨著上升，但是這個變化不是急劇上升的，有的時候沒辦法吸收多余的功率。
• 短路失效模式：當TVS二極管反向擊穿時，二極管相當于短路，會都后面的電路產生影響，使其無法正常工作。
• 尺寸較大：當TVS的允許功率做到上KW時，TVS二極管的體積會變得很大。
  

新防護電路

前面介紹了一些傳統的保護電路和元器件，他們或多或少都存在一些問題，那么有沒有更優的方案呢，答案是有的，我們姑且稱之為新防護電路吧：

• 新防護電路的思路，是利用MOS管的線性工作區來鉗位尖峰，類似于LDO調節的方式，通過控制MOS的導通程度，進而控制導通電阻，來有效的限制輸入電流，降低功率
• 同時也可以實現：輸入欠壓、輸入穩態過壓、可恢復過流保護，斜率控制了、理想二極管等保護
• 新保護電路采用的是閉環控制，所以各種參數都是可以設計的
  

如圖是ADI公司的一款浪涌保護芯片LT4364，就可以很好的解決上面存在的一些缺陷，但是也有一個缺點，就是貴，太貴了！下面是我學習到的一些內容：

1. 控制上電斜率
   

• 通過在gate腳引入一個c1電容，就可以控制上電斜率：因為我們可以知道，MOS管Q1的導通電壓是確定的，在輸出電壓確定的情況下，我們就可以Q1柵極電壓到達多少時，MOS完全開啟，那么只需要增加電容C1就可以控制Q1柵極電壓緩慢上升，從而實現控制上電斜率
• 公式如下：dv / dt = Igate拉電流 / C1 = 30uA / C1 = inrush電流 / CL （其中gate腳的拉電流是從數據手冊上得到的，大概在30uA左右）
• 可見：只要c1取不同的不同的值，既可以得到不同的上電斜率
• R1和D1的作用則體現在Q1需要關閉時，避免gate的電平無法突變到低電平和用來個C1放電。

2. 通過MOS管代替理想二極管防止反接

• 通過PMOS，防止反接，當電源反接時，Q2關斷，

• 通過NMOS，防止反接，原理如下：
• 當輸入正接時，Q2開啟，此時一切正常。
• 當輸入反反接時，Q3導通，Q2的柵極被拉低，Q2截止，此時電流回路斷開
• D2的作用：避免在正接的情況下，Q3基極與發射集直接承受過大的反壓（Q3基極與發射集承受反壓的的能力很弱，一般0.2~0.3V就會損壞）而損壞。
• R5的作用，減小正接的時候，電流通過D1沿著R5流到C1去，進而影響上電斜率。

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