过压保护及瞬态电压抑制电路设计

由于 TVS本身就是属于 ESD保护器件，可以同时提高设备在接口端的静电保护能力（通常的 TVS管都可以耐受 2KV以上接触式静电放电），这样的设计就可以在真正意义上实现端口的保护功能，有效地提高了器件的使用寿命和可靠性。（关于详细的 TVS选用可参阅具体文献。）

另一方面，当 OVP开关导通并存在一个持续较大工作电流流过时，此时如果突然关闭开关（比如启动了 OCP过流保护或 OTP过温保护），因导线电感中的电流不会突变，导线电感中的瞬时电流的变化会在 AAT4684的输入端产生一个高于电源的电压，这就使得 OVP开关会在一个很短的时刻需要承受一个极高的电压，其原理有些类似于开关升压电路（如图 7所示）。

图7：开关升压电路.

以下实验为了说明这类现象所可能产生的实际输入电压的突变，当过压保护开关有大电流流过并正常工作时将 AAT4684加温使之自动进入过温保护（ OTP）状态来观察此时输入端可能产生的波形变化。该实验电路依旧如前文所述的图3所示，电源以5.5V电压供电，负载电流约为 1.5A。

实验时对 AAT4684进行加热至芯片过热保护功能启动，内部的 MOSFET立刻关断。可以看到，在大约 400ns的时间里，由于流过开关管的电流被快速关断，在 OVP的输入和输出端瞬间确实出现了一个超过 15V以上峰峰值的冲击电压，假如电源的输入电压更高一些或者负载电流更大一些，这个冲击电压也同样会更高，虽然持续的时间极短，但是完全有可能在尖峰时刻突破 OVP开关的最高耐压，从而破坏其内部的 PMOS。

如果用同样的原理进一步分析 OVP开关接通电源时的过程，可以发现，因 OVP开关内部的控制电路在刚刚上电的瞬间需要建立状态，所以在初始的极短时间里， PMOS栅极电压没有立刻置高，因此 PMOS沟道还没来得及关断（这个时间大约会持续 0.1us），虽然对后端电路不会有什么影响，但是这个时间产生的导通电流在 PMOS关断的时刻同样会产生类似前文所述的问题，即在 OVP的输入端产生的一个时间极短的过高电压冲击可能会危及 OVP开关正常工作。

图8：开关关闭时各种电压变化的测量结果。

为了避免上面所述的这两种情况带来的瞬间高压对 OVP开关的冲击，在其前端放置合适的瞬态电压抑制器同样可以很好地解决该问题。由于 TVS管和 OVP开关具有其各自的功能特点，当电路在正常工作时，OVP开关导通，TVS处于反向截止状态，当输入电压高于 OVP保护电压又低于 OVP正常耐压时，OVP就起到了对高压很好地持续阻断的作用，保护了后端器件的安全，而当电路的输入端因前文所述几种情况而导致瞬时高压冲击出现时， TVS管的瞬间导通机制又能很好地吸收冲击电压的能量，保护了 OVP开关的安全。其两者的共同作用就可以有效地实现抑制瞬态和持续高压的功能，完善地保护了整个电路系统的接口免受异常高压的破坏。

本文特别感谢美国研诺逻辑科技有限公司中国区应用工程部总监谭磊（Taylor Tan）先生及华东区应用工程部经理毛铮（Frank Mao）先生对本文的修改和指正。在文章最后部分将附上使用 TVS管前后实验测得的波形，以供读者对照分析，可以进一步理解 TVS加 OVP开关在电路端口保护设计中的必要性。

附录 :

以下实验对 AAT4684输入端使用 TVS和不使用 TVS管前后的波形进行比较，供读者参考。

CH1为 AAT4684的输入电压，CH2为 AAT4684的输出电压。

将电源电压 Vin设为12V，输出电容为0.1uF，图A1为前端没有TVS管的波形，图A2为前端加了TVS管的波形（TVS导通电压为19V）

用5.5V作为电源输入，负载电流为1.5A时将OVP加热进入过温保护瞬间波形，图B1为前端没有TVS的波形，图B2为前端加了TVS时的波形（TVS导通电压为16V）

图A1: 无TVS时输入端波形

图A2: 有TVS时输入端波形。

图B1: 前端没有TVS时过温保护瞬间。

图B2: 前端加TVS时过温保护瞬间。

作者：周敏捷

现场应用工程师

美国研诺逻辑科技有限公司