过压保护及瞬态电压抑制电路设计

利用电池供电的移动设备通常需要通过外置的 AC适配器对系统电池进行充电。而不同供电电压的设备间往往共用着相似的电源插座和插头，这些不同电压标准的适配器往往会给用户带来潜在的错插风险，可能导致设备因过高的电压而烧毁。另一方面，来自 AC适配器前端的浪涌或者电网的不稳定也有可能导致适配器的输出电压超越设备所能承受的范围。因此，在移动设备设计中就有必要加入充电端口的过压保护电路，以避免上述情况对设备后端电路的破坏。

本文介绍的过压保护电路由过压保护开关（OVP Switch）和瞬态电压抑制器 (TVS)组成（如图1），可实现完善可靠的抗持续高电压和瞬间冲击电压的功能。

图1

在整个方案中，核心部分器件为过压保护开关，以美国研诺逻辑科技有限公司（AATI）的过压保护开关 AAT4684为例，过压保护开关的内部主要是由控制逻辑电路和 PMOS管组成，当 OVP端的检测电压高于特定电压阈值之后，逻辑电路就会通过栅极关断 PMOS的沟道。由于该 PMOS管拥有较高的持续性耐压（28V），因此可以保护后端的元器件不会因前端电源输入异常高压而烧毁（其内部原理如图2所示）。

图2：AAT46842 内部原理图。

通过以下实验可以说明当过压保护开关的输入端出现过高电压时它对后端电路所起到的保护作用。

图3所示为测试所用电路原理图，输入端为 12V平稳直流源，电源通过一段长度为 1米的导线与 AAT4684的输入端相连， CH1为 AAT4684输入电压的测试点， CH 2为 AAT4684输出电压的测试点，CH3为其输出电流探测点。将 AAT4684的 OVP保护电压设为 6V（即当电压超过 6V后，开关管立刻关闭，以保护输出端的电路）。为体现实际应用中 AC适配器的插拔情况，对系统的上电过程通过导线和电源的机械性拔插来实现。

图3：测试所用电路原理图。

由图4所示的波形中可以到，在电路上电的时刻，输入端的电压很快超过了 6V并最终稳定在了 12V左右，而输出端电压由于 OVP开关的作用，始终维持在 0V电压，即 AAT4684输出端之后的电路不会因过高的输入电压而受到影响，后端电路器件在此时受到了 AAT4684的过压保护。

图4：经示波器测得的各通道的电压及电流波形。

但是在这同时却发现当电源电压插入的瞬间， AAT4684输入端的电压呈现了一个超过 20V的尖峰。如果进一步调高输入电压（如将电压调整到 16V），在拔插电源时会发生 OVP开关烧坏的现象，但是电源所提供的输出电压却远小于 OVP开关的最高耐压 28V。如何解释此现象呢？

原因就出在从电源输出到 AAT4684输入的这段导线上。任何一段有长度导线具有一定的等效电感。等效电感的存在相当于在理想导线上串联了一个分立电感器，同时由于芯片的输入端存在的输入电容，接合起来就相当于一个如图 5所示的 LC振荡电路；而这个电路当输入一个阶跃时在输入电容上最大可出现 2倍于输入的振荡电压。

图5: 输入端输入电容与导线电感构成的LC振荡电路。

由于这些等效器件的存在，就会在系统上电的瞬间于 OVP开关输入端产生一个高于电源的电压。过高的瞬间电压就类似静电放电电压，虽然总能量不大，但是如果其电压值在瞬间高过了 OVP开关的最高耐压范围，就足以将 OVP开关内部的 MOSFET击穿，使得芯片输入端对地发生短路，失去作用。因此在考虑过压保护设计时，还应考虑对电路输入端可能出现的瞬态高压的防护。

为解决以上问题，可以在 AAT4684的输入端放置TVS来实现对瞬间冲击电压冲击的防护。TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当 TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以纳秒级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的元器件免受各种浪涌脉冲损坏。由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点，目前已广泛应用于各类电子设备之中。

由于 OVP保护开关虽然可以持续地长时间承受耐压范围内的电压，但是却无法经受超过其耐压范围的瞬时电压冲击，而TVS结构的二级管，虽然无法承受长时间的导通电流，但是却可以在瞬时吸收很高的电压冲击，通过自身的雪崩导通来限制其两端的最高电压，对电压起到钳位的作用。因此将 TVS管置于 OVP开关电路之前，就可以有效地防止瞬时高压对 OVP开关的破坏，同时 OVP的持续受压能力又可以保护后端电路免受前端电源持续高电压的破坏。电路逻辑结构如图 6所示。

图6：耐高压电路逻辑图。