一種實(shí)用的過欠壓浪涌保護(hù)電路設(shè)計(jì)

駱訓(xùn)衛(wèi)，宋金華，俱強(qiáng)偉，鄭文群

（同方電子科技有限公司，江西 九江 332002）

0 引 言

供電電網(wǎng)并入大型功率設(shè)備在開車或停車時(shí)，供電電網(wǎng)電壓的波動會非常大，輸入電壓遠(yuǎn)高于或遠(yuǎn)低于電子設(shè)備工作電壓，對其他電子設(shè)備帶來了嚴(yán)重的影響。輸入電壓過高時(shí)很可能損壞電子設(shè)備，輸入電壓過低時(shí)，電子設(shè)備不能正常工作，導(dǎo)致運(yùn)行程序關(guān)閉、數(shù)據(jù)丟失。過欠壓浪涌保護(hù)電路是一款非常不錯(cuò)而且實(shí)用的電路，不僅能解決輸入過壓帶來的危害，還能解決輸入過低設(shè)備不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，該過欠壓浪涌保護(hù)電路構(gòu)成簡單、成本低，響應(yīng)速度快，滿足現(xiàn)在各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的過欠壓浪涌要求，對電子設(shè)備過流和短路也提供了保障[1]。

1 原理和功能

1.1 電路原理

所設(shè)計(jì)的過欠壓浪涌保護(hù)電路工作原理框圖如圖1所示，包括過壓浪涌保護(hù)電路、理想二極管“或”電路和欠壓浪涌保護(hù)電路共三個(gè)部分組成。當(dāng)直流輸入電壓過壓時(shí)，過壓浪涌保護(hù)電路設(shè)置輸出電壓在安全電壓范圍內(nèi)；當(dāng)直流輸入電壓欠壓時(shí)，過壓浪涌保護(hù)電路直通，欠壓浪涌保護(hù)電路輸出電壓升高到安全電壓范圍內(nèi)；當(dāng)直流輸入電壓在正常電壓范圍內(nèi)時(shí)，過壓浪涌保護(hù)電路基本直通，欠壓浪涌保護(hù)電路不起作用，理想二極管“或”電路直通，適用于工作環(huán)境復(fù)雜或有浪涌要求的直流電子設(shè)備輸入端。

圖1 工作原理框圖

1.2 保護(hù)電路具體實(shí)現(xiàn)的功能

（1）當(dāng)直流輸入電壓在電路正常輸入范圍時(shí)，電子設(shè)備工作電壓為直流輸入電壓[2]。

（2）當(dāng)直流輸入電壓高于電路輸入過壓設(shè)定值，電子設(shè)備工作電壓為過壓浪涌保護(hù)電路設(shè)定安全電壓，實(shí)際應(yīng)用時(shí)設(shè)置電壓一般略低于正常范圍的上限值。

（3）當(dāng)直流輸入電壓低于電路輸入欠壓設(shè)定值，電子設(shè)備工作電壓為欠壓浪涌保護(hù)電路設(shè)定安全電壓，實(shí)際應(yīng)用時(shí)設(shè)置電壓一般略高于正常范圍的下限值。

2 電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路主要性能指標(biāo)

（1）輸入電壓范圍為19.2 V～32.4 V，典型值為24 V。

（2）抗浪涌電壓性能。啟動電壓擾動：輸入電壓跌至6 V時(shí)，設(shè)備不關(guān)機(jī)；耐浪涌電壓沖擊：設(shè)備承受峰值100 V，脈寬500 ms的電壓沖擊后能正常工作。

2.2 保護(hù)電路具體的設(shè)計(jì)方案

2.2.1 過壓浪涌保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案

過壓浪涌保護(hù)電路如圖2所示，主要由芯片LTC7862及其外圍電路組成。LTC7862在正常運(yùn)行期間可實(shí)現(xiàn)100%占空比直通模式，在過壓或過流瞬態(tài)和故障以及啟動期間進(jìn)行開關(guān)；工作電壓低至4 V、高至140 V，可調(diào)輸出電壓鉗位高達(dá)60 V；可采用電阻或電感器DCR進(jìn)行電流檢測，能實(shí)現(xiàn)浪涌電流限制；具有可調(diào)輸入電壓開啟閾值和可調(diào)輸入過壓鎖定閾值[3]。

根據(jù)圖2電路所示，過壓浪涌保護(hù)電路輸出電壓經(jīng)過電阻R8和R9編程鉗位在32 V。該電路具有500 ms的最短浪涌持續(xù)時(shí)間，后端負(fù)載能在整個(gè)輸入過壓期間能正常工作。采集電感L1的DCR進(jìn)行電流檢測，限制輸出電流，以免受過流或輸出短路故障的影響。

圖2 過壓浪涌保護(hù)電路

當(dāng)輸入電壓低于32 V時(shí)，芯片LTC7862持續(xù)地接通頂端外部N溝道MOS管V1，從而以極小的電壓降將輸入電壓一直傳遞到輸出端。

當(dāng)輸入電壓處于過壓浪涌時(shí)，芯片LTC7862控制兩個(gè)外圍N溝道場效應(yīng)管V1和V2，使其充當(dāng)直流/直流降壓開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定輸出32 V。

2.2.2 理想二極管“或”電路設(shè)計(jì)方案

理想二極管“或”電路如圖3所示，由芯片LTC4357IMS8、N溝道場效應(yīng)管V7（IPB026N06N）和輸入輸出濾波電容組成。理想二極管“或”電路的輸入端與過壓浪涌保護(hù)電路的輸出端相連，輸出端與電子設(shè)備的輸入端相連。

圖3 理想二極管“或”電路

LTC4357工作電壓范圍寬到9～80 V，通過采用一個(gè)N溝道場效應(yīng)管V7替代一個(gè)功率肖特基二極管來降低功耗，能夠很容易地對輸入電壓進(jìn)行“或”操作，提高整個(gè)電路的效率和可靠性。在電路“或”應(yīng)用中，LTC4357用于控制場效應(yīng)管V7兩端的正向電壓降，以確保欠壓浪涌保護(hù)電路與理想二極管“或”電路平滑電流轉(zhuǎn)移而沒有振蕩現(xiàn)象。在電源發(fā)生故障或短路的情況下，0.5 μs快速關(guān)斷場效應(yīng)管V7可最大限度地減小反向電流瞬變[4]。

當(dāng)直流輸出電壓低于過壓浪涌保護(hù)電路輸出電壓時(shí)，芯片LTC4357IMS8的4腳輸出高電平，控制場效應(yīng)管V7導(dǎo)通；當(dāng)直流輸出電壓高于過壓浪涌保護(hù)電路輸出電壓時(shí)，芯片LTC4357IMS8的4腳輸出低電平，場效應(yīng)管V7不導(dǎo)通,關(guān)斷“或”電路輸入與輸出。

2.2.3 欠壓浪涌保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案

欠壓浪涌保護(hù)電路如圖4所示，由芯片LTC3786IMSE及其外圍電路組成，電路輸入輸出與理想二極管“或”電路的輸入輸出并接，兩個(gè)電路組成并聯(lián)電路。

圖4 欠壓浪涌保護(hù)電路

LTC3786是凌特公司推出的一款同步升壓型DC/DC控制器，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%。以一個(gè)高效率N溝道場效應(yīng)管取代了升壓型二極管以提高效率和降低功耗，這樣就可以去掉通常在中高功率升壓型轉(zhuǎn)換器中所需的散熱器。擁有強(qiáng)大的1.2 Ω內(nèi)置N溝道場效應(yīng)管柵極驅(qū)動器能夠快速轉(zhuǎn)換大的場效應(yīng)管柵極，最大限度地降低了轉(zhuǎn)換損耗。輸入電壓范圍4.5～38 V，啟動后直至2.5 V都保持工作，可調(diào)節(jié)輸出電壓高達(dá)60 V。具有同步場效應(yīng)管的100% 占空比能力，可運(yùn)用電流檢測電阻或監(jiān)測電感DCR兩端的壓降來進(jìn)行電流檢測，在輸入電壓超過穩(wěn)定輸出電壓時(shí)，LTC3786 能保持同步場效應(yīng)管連續(xù)接通，以便輸出電壓以最低功耗跟隨輸入電壓[5]。

本欠壓浪涌保護(hù)電路輸出電壓根據(jù)實(shí)際應(yīng)用編程設(shè)定為19.4 V。當(dāng)從過壓浪涌保護(hù)電路過來的電壓低于設(shè)定的19.4 V時(shí)，LTC3786控制升壓電路工作，直流輸出電壓保持在19.4 V的安全值；當(dāng)過壓浪涌保護(hù)電路過來的電壓高于設(shè)定的19.4 V時(shí)，輸入電壓經(jīng)由理想二極管“或”電路以很小的壓降傳遞到直流輸出端。

3 保護(hù)電路仿真驗(yàn)證與實(shí)際驗(yàn)證

用LTspice軟件按圖2電路圖進(jìn)行過壓浪涌保護(hù)電路仿真，設(shè)定正常輸入電壓24 V，過壓浪涌電壓100 V，持續(xù)時(shí)間5 ms，過壓浪涌保護(hù)電路輸入輸出電壓波形如圖5所示。

圖5 過壓浪涌保護(hù)電路輸入輸出電壓波形

從圖5過壓浪涌保護(hù)電路輸入輸出電壓波形可以看出，當(dāng)輸入電壓為24 V時(shí)，輸出電壓也為24 V；當(dāng)輸入電壓超過了設(shè)定的輸出電壓32 V時(shí)，輸出電壓維持在32 V；當(dāng)輸入電壓恢復(fù)到正常電壓24 V時(shí)，輸出電壓也恢復(fù)到24 V。

用LTspice軟件按圖3、圖4所示的電路圖進(jìn)行欠壓浪涌保護(hù)電路仿真，設(shè)定正常輸入電壓24 V，欠壓浪涌電壓6 V，持續(xù)時(shí)間5 ms，欠壓浪涌保護(hù)電路輸入輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 欠壓浪涌保護(hù)電路輸入輸出電壓波形圖

從圖6欠壓浪涌保護(hù)電路輸入輸出電壓波形可以看出，當(dāng)輸入電壓為24 V時(shí)，欠壓浪涌保護(hù)輸出電壓也為24 V；當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定的輸出電壓19.4 V時(shí)，輸出電壓維持在19.4 V；當(dāng)輸入電壓恢復(fù)到正常電壓24 V時(shí)，輸出電壓也為24 V。

根據(jù)圖2、圖3和圖4搭設(shè)實(shí)際電路，正常輸入電壓為24 V，過壓浪涌電壓為100 V，持續(xù)時(shí)間為500 ms，欠壓浪涌電壓為6 V，持續(xù)時(shí)間為500 ms。用雙通道示波器監(jiān)測輸入和輸出電壓，過壓浪涌保護(hù)電路輸出波形圖如圖7所示，欠壓浪涌保護(hù)電路輸出波形圖如圖8所示。

圖7 過壓浪涌抑制波形圖

圖8 欠壓浪涌抑制波形圖

圖7過壓浪涌期間，輸出電壓為設(shè)定的32 V電壓，在電子設(shè)備的安全工作電壓范圍。從圖8可以看出，當(dāng)欠壓浪涌期間，輸出電壓為設(shè)定的19.4 V，在電子設(shè)備的安全工作電壓范圍。不難得出，不管是過壓浪涌還是欠壓浪涌，電子設(shè)備的輸入電壓都在安全電壓范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文對過壓浪涌和欠壓浪涌以及正常工作電壓時(shí)的工作原理和電路進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和講解。對過壓浪涌和欠壓浪涌保護(hù)電路，我們也通過了實(shí)例進(jìn)行了電腦仿真驗(yàn)證和實(shí)際電路驗(yàn)證，都達(dá)到了所提要求。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)本文的講解和結(jié)合自己的實(shí)際需求，設(shè)定自己需要的安全值電壓。