一種低成本的浪涌保護電路的制作方法

一種低成本的浪涌保護電路的制作方法
【專利摘要】本發明提出一種低成本的浪涌保護電路。包括一個保護模塊，其輸入端與電源電壓以及設備輸入端相連，所述保護模塊的輸出端與一個緩沖模塊輸入端相連，緩沖模塊的另一端接地；所述緩沖模塊用低成本的元件接收從保護模塊排出的浪涌能量并儲存，在浪涌結束后緩沖模塊會把浪涌能量慢慢釋放出去。本發明采用廉價的電容和電阻組成緩沖模塊，降低了保護模塊中對MOSFET性能的要求，電路中可以選用低價的MOSFET，從而降低了整個浪涌保護電路的成本。
【專利說明】
一種低成本的浪涌保護電路
技術領域
[0001] 本發明涉及電路原理和半導體器件，屬于微電子領域，主要涉及一種低成本的浪 涌保護電路，具體來說是一種以傳統的浪涌保護電路為基礎，通過集成電路的方式代替原 有的TVS(瞬態抑制二極管），具有比較精準的浪涌保護效果，同時降低了成本。
【背景技術】
[0002] 電路在遭雷擊和在接通、斷開電感負載或大型負載時常常會產生很高的操作過電 壓，這種瞬時過電壓(或過電流)稱為浪涌電壓(或浪涌電流），是一種瞬變干擾。例如直流6V 繼電器線圈斷開時會出現300V~600V的浪涌電壓。浪涌電壓現象日趨嚴重地危及自動化設 備安全工作，消除浪涌噪聲干擾、防止浪涌損害一直是關系到自動化設備安全可靠運行的 核心問題。
[0003] 瞬時的浪涌電壓(或浪涌電流)會給人們帶來巨大的損失，因此必須在相關設備或 系統上安裝浪涌保護器(Surge protective device，SH))。浪涌保護器并聯在被保護設備 的兩端，通過泄放浪涌電流、限制浪涌電壓來保護電子設備。傳統的浪涌保護器是由一個瞬 態抑制二極管(TVS)完成的。在被保護電路正常工作，瞬態浪涌未到來以前，TVS呈現極高的 電阻，對被保護電路沒有影響;而當瞬態浪涌到來時，瞬時電壓超過TVS的反向擊穿電壓，此 時TVS導通，迅速將浪涌電流通過TVS泄放出去，并將被保護設備兩端的電壓限制在較低的 值。到浪涌結束，TVS又迅速、自動地恢復為極高電阻。它的作用是保證電子設備免受浪涌過 電壓(雷電過電壓、操作過電壓等)的破壞，既不影響設備的正常工作，又將過電壓限制在相 應設備的耐壓等范圍內。
[0004] TVS作為浪涌保護器存在一個問題，就是TVS的擊穿電壓并不是一個恒定值， 有一個波動范圍，因此TVS不能精確有效的限制浪涌電壓。對于上述缺陷，可以用集成電 路的方式替代TVS實現浪涌保護的功能。市場上現有的方案是將一個電壓檢測模塊和 M0SFET連接成一個集成電路并聯在被保護設備兩端用來代替TVS。電壓檢測模塊的一個輸 入端輸入可以設置的閥值，另外一個輸入端檢測輸入電壓，一旦輸入電壓超過這個閾值，電 壓比較器輸出翻轉，使得功率M0SFET導通，浪涌能量就可以通過功率M0SFET排出。這種方案 在技術上完全可以達到浪涌保護的效果，但是在實際應用中，這種浪涌保護電路存在一個 經濟性問題。不同面積大小的M0SFET在會有不同的耐沖擊能力，面積越大的M0SFET耐沖擊 能力越高。當瞬間很大的浪涌能量通過M0SFET時，會導致M0SFET發熱，甚至燒掉M0SFET。因 此若要把瞬間的所有能量從M0SFET中泄放掉，M0SFET的面積必須足夠大以承受浪涌能量， 否則會導致MOSFET損壞從而使浪涌保護電路失效。而在MOSFET的制造中，面積越大的 M0SFET造價越高，過高的成本會限制了這種浪涌保護電路的實際使用和推廣。

【發明內容】

[0005] 針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種低成本的浪涌保護電路， 能在保證浪涌保護效果的條件下，降低成本并能廣泛推廣使用。
[0006] 為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案： 一種低成本的浪涌保護電路，包括一個保護模塊，其輸入端與電源電壓以及設備輸入 端相連，所述保護模塊的輸出端與一個緩沖模塊輸入端相連，緩沖模塊的另一端接地;所述 緩沖模塊用低成本的元件接收從保護模塊排出的浪涌能量并儲存，在浪涌結束后緩沖模塊 會把浪涌能量慢慢釋放出去。
[0007] 所述保護模塊包括母線電容、電壓檢測模塊和M0SFET;母線電容并聯在電源電壓 兩端，母線電容有一定的浪涌保護作用，同時也能給后級系統濾除紋波；電壓檢測模塊的一 個輸入端輸入一個可以設置的閥值，另外一個輸入端檢測輸入電壓、輸出端接在M0SFET的 柵極，電壓檢測模塊的輸出作為M0SFET的驅動電壓;M0SFET的源極和設備輸入端連接在一 起，漏極接緩沖模塊，用于排出浪涌能量;工作原理：當電源電壓為設備的安全工作電壓時， 保護模塊不工作，電源電壓直接輸入到被保護設備；電路的接通瞬間會產生數倍甚至數十 倍于正常工作電壓的浪涌尖峰電壓，因此接口部分一定要增加防浪涌功能，如果不對浪涌 加以限制，那么大幅超出設備耐壓值的浪涌尖峰電壓會直接輸入到設備中并造成設備的損 壞，因此必須在設備上并聯一個浪涌保護電路來排出瞬時的浪涌能量;在保護模塊中，母線 電容的容值比較小，否則會在插拔瞬間產生火花，引起前級電源電壓跌落；當設備正常工作 時，電壓檢測模塊的輸入電壓小于閥值，M0SFET不能導通，浪涌保護電路不工作;浪涌測試 時，母線電容較小無法遏制浪涌電壓，電壓檢測模塊的輸入電壓瞬間大于閥值，M0SFET導 通，浪涌能量通過M0SFET導出，從而保護了設備不受浪涌電流的沖擊；當浪涌結束之后，設 備輸入電壓恢復正常值，M0SFET截止，保護模塊不工作，設備正常運行。
[0008] 所述緩沖模塊包括一個電容和一個電阻;所述電容和電阻并聯組成緩沖模塊，其 一端接在保護模塊中M0SFET的漏極，另一端接地;工作原理:所述緩沖模塊用于儲存和釋放 浪涌能量，當電源電壓穩定輸出時，電壓檢測模塊輸出為負，M0SFET截止，緩沖模塊中沒有 能量;浪涌測試時，電壓檢測模塊輸出為正，M0SFET導通，浪涌電壓加在電容兩端，電容充電 儲存能量；當浪涌結束時，電壓檢測模塊輸出為負，M0SFET截止，此時緩沖模塊的電容和電 阻構成一個回路，電容上的能量通過電阻慢慢釋放出去；當M0SFET瞬間吸收非常大的能量 時，容易發熱損壞，造成浪涌保護電路不能正常工作；由于緩沖模塊的存在，在發生浪涌時 瞬時，電容兩端電壓不斷升高，存儲了一半能量，使得M0SFET瞬間吸收的能量減少了 一半， M0SFET發熱情況不明顯，不會燒毀M0SFET，從而確保上級的浪涌保護電路可以正常工作;廉 價的電容和電阻組成的緩沖模塊可以保護M0SFET不被燒毀，因此可以降低對保護模塊中的 M0SFET的性能要求，選用價格較低的M0SFET，從而降低了整個浪涌保護電路的成本。
[0009] 保護模塊和緩沖模塊連接成一個完整的浪涌保護電路，保護模塊負責將浪涌保護 電路的鉗位電壓控制在設備的耐壓值以下，保護設備不受浪涌電壓和浪涌電流的沖擊;緩 沖模塊負責存儲從M0SFET流出的較大的瞬時浪涌能量，并在浪涌結束后將能量泄放掉，廉 價的電容和電阻組成的緩沖模塊降低了保護模塊中對M0SFET性能的要求，降低了 M0SFET的 成本，從而降低了整個浪涌保護電路的成本。
[0010]本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著技術進 步： (1)本發明以集成電路的方式代替了傳統的TVS浪涌保護器，可以進行更多的優化設 計。
[0011] (2)本發明中將廉價的電容和電阻并聯組成一個緩沖電路，并與低價小功率的 M0SFET連接從而替代了的高價大功率M0SFET，避免了瞬時浪涌能量燒毀M0SFET，在保證浪 涌保護作用的同時降低了浪涌保護電路的成本。
【附圖說明】
[0012] 圖1是傳統的TVS浪涌保護器示意圖。
[0013] 圖2是市場上現有的浪涌保護電路示意圖。
[0014] 圖3是本發明一種低成本的浪涌保護電路示意圖。
【具體實施方式】
[0015] 為更加清楚明白地介紹本發明的技術方案，以下結合附圖及優選實施例，對本發 明作進一步的說明。
[0016] 本發明通過多個電路元件組成的一種低成本的浪涌保護電路，與傳統的浪涌保護 器相比，不僅起到了浪涌保護的有效性，還降低了生產成本。
[0017] 如圖1所示，在傳統的浪涌保護電路中，由一個TVS并聯在被保護設備兩端實現浪 涌保護的功能。在設備正常工作，瞬態浪涌未到來以前，TVS呈現極高的電阻，對被保護電路 沒有影響;而當突然出現一個浪涌電壓時，瞬時電壓超過TVS的反向擊穿電壓，此時TVS被擊 穿，浪涌電流迅速通過TVS泄放出去，并將被保護設備兩端的電壓限制在較低的水平。到浪 涌結束，TVS又迅速、自動地恢復為極高電阻。它的作用是保證電子設備免受浪涌過電壓(雷 電過電壓、操作過電壓等）的破壞，既不影響設備的正常工作，又將過電壓限制在相應設備 的耐壓等范圍內。但是在實際應用中，TVS的擊穿電壓并不是一個恒定值，而是在一個區間 內波動。假設被保護設備的耐壓值為30V，TVS的擊穿電壓范圍是28~33V之間，電源電壓為 5V。在接通電源的瞬間，會產生超過30V的浪涌電壓，如果沒有擊穿TVS，那么TVS不導通，浪 涌電壓全部沖擊被保護設備，超出了設備的耐壓值，這樣就會造成設備的損壞。
[0018] 如圖2所示，市場上現有的浪涌保護電路在鉗位電壓的控制上已經有了一定的改 進。該浪涌保護電路由電壓檢測模塊、M0SFET&、母線電容Cs組成。將電源電壓輸出，電壓檢 測模塊的輸入端、％的源極和設備輸入端連接在一起，％的輸出端和狐的柵極相連，&的 漏極接地，組成一個浪涌保護電路以代替TVS起到保護設備的作用。電壓檢測模塊需要設置 一個低于被保護設備耐壓值的恒定電壓值馬，一旦輸入電壓超過％，電壓檢測模塊輸出值 為正電壓，M0SFET導通，浪涌能量就可以通過隨排出，從而保護了設備不受浪涌電壓和浪涌 電流的影響。
[0019] 這種方案在技術上可以精確地設定鉗位電壓，有效地起到浪涌保護的作用。但是 在實際應用中，這種浪涌保護電路存在一個經濟性問題。當瞬間很大的浪涌電流通過 M0SFET時，M0SFET會發熱，甚至燒掉M0SFET，造成浪涌保護電路故障。因此若要讓M0SFET不 被浪涌測試損壞，必須選擇大功率的M0SFET，以承受浪涌能量，否則會導致M0SFET損壞從而 使浪涌保護電路失效。而在M0SFET的制造中，功率越高成本越高，過高的成本會限制了這種 浪涌保護電路的實際使用和推廣。
[0020] 實施例一： 如圖3所示，本低成本的浪涌保護電路，包括一個保護模塊I，其輸入端與電源電壓IV以 及設備m輸入端相連，其特征在于:所述保護模塊i的輸出端與一個緩沖模塊π輸入端相 連，緩沖模塊π的另一端接地;所述緩沖模塊π用低成本的元件接收從保護模塊I排出的浪 涌能量并儲存，在浪涌結束后緩沖模塊會把浪涌能量慢慢釋放出去。
[0021] 實施例二:本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下： 所述保護模塊I由母線電容％、電壓檢測模塊和MOSFETCli組成。并聯在電源垮兩端， 具有一定的浪涌保護作用并能濾除后級系統的紋波。％的值不能過大，否則在拔插瞬間會 產生火花，引起前級電源電壓跌落。電壓檢測模塊的一個輸入端輸入可以設置的閥值$，另 外一個輸入端檢測輸入電壓。在正常情況下，保護模塊不工作。當突然出現一個浪涌電壓 時，由于4的值較小，無法抑制浪涌電壓，電壓檢測模塊的輸入電壓瞬間大于閥值％，，由于 ?的輸出端接在的柵極，電壓檢測模塊的輸出電壓瞬間驅動和Qi導通，浪涌電流經過貸1 流出。此時由于本方案中使用的功率MOSFETCli為廉價且功率較小，當大電流流過時會發 熱甚至燒壞，因此需要在和地之間接一個緩沖模塊用來儲存瞬時能量。
[0022] 所述緩沖模塊Π 由電容g和電阻并聯組成，當1?導通時，絕大部分浪涌電壓會 加在兩端，相當于給q充電，因此$兩端的電壓較小，的發熱也很小，不會被燒毀損壞。 當浪涌結束后，截止，％中的能量通過并聯在C2兩端的電阻慢慢釋放掉，被保護設備 繼續正常工作。
[0023] 本發明提出的浪涌保護電路能及時準確地排出浪涌能量，對設備的保護效果較 好，同時使用的電路元件相對廉價，有效的降低了生產成本，因此適合推廣使用。
【主權項】
1. 一種低成本的浪涌保護電路，包括一個保護模塊（I)，其輸入端與電源電壓αν)以及 設備απ)輸入端相連，其特征在于:所述保護模塊(I)的輸出端與一個緩沖模塊（π)輸入端 相連，緩沖模塊（π)的另一端接地;所述緩沖模塊（π)用低成本的元件接收從保護模塊(I) 排出的浪涌能量并儲存，在浪涌結束后緩沖模塊會把浪涌能量慢慢釋放出去。2. 根據權利要求1中所述的一種低成本的浪涌保護電路，其特征在于：所述保護模塊 (I)包括母線電容()、電壓檢測模塊和MOSFET(fi );母線電容(Cs )并聯在電源電壓(1?) 兩端，母線電容(?)有一定的浪涌保護作用，同時也能給后級系統濾除紋波；電壓檢測模塊 的一個輸入端(2)輸入一個可以設置的閥值(?)，另外一個輸入端（1)檢測輸入電壓(4)、 輸出端(3 )接在MOSFET的柵極，電壓檢測模塊的輸出作為MOSFET的驅動電壓;MOSFET的源極 和設備（ΙΠ)輸入端連接在一起，漏極接緩沖模塊（Π)，用于排出浪涌能量;工作原理：當電 源電壓(?)為設備（ΙΠ)的安全工作電壓時，保護模塊(I)不工作，電源電壓(?)直接輸入到 被保護設備（ΠΟ;電路的接通瞬間會產生數倍甚至數十倍于正常工作電壓的浪涌尖峰電 壓，因此接口部分一定要增加防浪涌功能，如果不對浪涌加以限制，那么大幅超出設備耐壓 值的浪涌尖峰電壓會直接輸入到設備中并造成設備的損壞，因此必須在設備上并聯一個浪 涌保護電路來排出瞬時的浪涌能量;在保護模塊（I)中，母線電容(_)的容值比較小，否則 會在插拔瞬間產生火花，引起前級電源電壓跌落;當設備正常工作時，電壓檢測模塊的輸入 電壓(?)小于閥值(?),MOSFET不能導通，浪涌保護電路不工作;浪涌測試時，母線電容(? )較小無法遏制浪涌電壓，電壓檢測模塊的輸入電壓瞬間大于閥值(?), MOSFET導通，浪涌 能量通過MOSFET導出，從而保護了設備(0不受浪涌電流的沖擊；當浪涌結束之后，設備（ΙΠ) 輸入電壓恢復正常值，MOSFET截止，保護模塊(I)不工作，設備（ΙΠ)正常運行。3. 根據權利要求1中所述的一種低成本的浪涌保護電路，其特征在于：所述緩沖模塊 (Π )包括一個電容（?)和一個電阻（?);所述電容(?)和電阻（?)并聯組成緩沖模塊 (Π )，其一端接在保護模塊(I)中MOSFET的漏極，另一端接地;工作原理:所述緩沖模塊（Π ) 用于儲存和釋放浪涌能量，當電源電壓(，)穩定輸出時，電壓檢測模塊輸出為負，MOSFET截 止，緩沖模塊（Π)中沒有能量;浪涌測試時，電壓檢測模塊輸出為正，MOSFET導通，浪涌電壓 加在電容（?)兩端，電容（?)充電儲存能量；當浪涌結束時，電壓檢測模塊輸出為負， MOSFET截止，此時緩沖模塊（Π)的電容(?)和電阻(:?)構成一個回路，電容(?)上的能量 通過電阻(％)慢慢釋放出去；當MOSFET瞬間吸收非常大的能量時，容易發熱損壞，造成浪涌 保護電路不能正常工作；由于緩沖模塊（Π)的存在，在發生浪涌時瞬時，電容(C 2 )兩端電壓 不斷升高，存儲了一半能量，使得MOSFET瞬間吸收的能量減少了 一半，MOSFET發熱情況不明 顯，不會燒毀M0SFET，從而確保上級的浪涌保護電路可以正常工作;廉價的電容(C2)和電阻 (?)組成的緩沖模塊（Π)可以保護MOSFET不被燒毀，因此可以降低對保護模塊（I)中的 MOSFET的性能要求，選用價格較低的MOSFET，從而降低了整個浪涌保護電路的成本。
【文檔編號】H02H9/04GK106026061SQ201610338168
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月22日
【發明人】稽維貴, 何志翔, 徐美華, 冉峰, 季淵
【申請人】上海大學