过电压保护是一项用于保护线路免受超过预定最大电压的损害的措施。当开关电源出现内部稳压环路故障或用户误操作导致输出电压超过设计阈值时，为了保护下游设备免受损坏，采取限制输出电压在安全范围内的措施。接下来将详细介绍过电压保护的原理和实现方法。
一、过电压保护的定义
过电压保护是一种电源功能，当输入电压超过预设值时会切断电源，以防止高压浪涌。通常会采取一些过电压保护方法来保护电子元件的完整性。大多数电源都使用过电压
保护电路来防止电子元件的损坏。过电压条件对电路的影响因电路而异，从损坏组件到降低组件性能并可能导致电路故障或火灾。
由于电源内部故障或配电线路等外部原因，电源可能会遭受过电压。为了有效保护电路，过电压的幅度和持续时间是需要考虑的主要因素之一。保护措施包括设置阈值电压，当电压超过该阈值时，控制电路将切断电源或将额外电压分流至电路的其他部分，例如电容器。
二、过压保护电路
关于过压保护，还存在多种方法，下面主要介绍以下几种：
使用TVS二极管的过压保护电路
采用晶闸管Crowbar的过压保护电路
电压钳位过压保护
电压限制
三、使用TVS二极管的过压保护电路
在采用TVS二极管的过压保护电路中，通过齐纳二极管和双极性晶体管实现自动过压保护，可以使用两种方式：
齐纳稳压电路
这种方法通过提供稳定的电压来调节输入电压，并保护电路免受过压影响。然而，当电压超过安全限制时，它不会切断输出部分，输出电压将始终保持在小于或等于TVS二极管额定值的范围内。
TVS二极管过压保护电路
在第二种方法中，每当输入电压超过预设水平时，该电路将切断输出部分或负载与电路的连接。
如何保护电路免受过压？
考虑下图，我们需要对微控制器进行过压保护。微控制器的IO引脚通常具有最大5V的额定值，因此超过5V可能会损坏微控制器。
上述电路中使用的是一个5.1V的TVS二极管。它能在过压情况下正常工作。当电压大于5.1V时，TVS二极管会导通并将电压维持在5.1V以下。但当电压低于5.1V时，TVS二极管将像普通二极管一样工作并具备截止功能。
下图是TVS二极管保护电路的仿真图。
上面的原理图中有一个输入电压V1。R1和D2是用于保护输出免受过压影响的两个组件。在这种情况下，D2（1N4099）是一个6.8V的TVS二极管。如果V1超过6.8V，输出将受到保护。由于1N4099的6.8V参考电压，输出将保持在最大6.8V。
现在看看上述电路如何作为TVS二极管输入保护电路，并保护输出免受超过6.8V的电压影响。
在V1输入电压为6V的情况下，输出电压保持恒定在5.999V（即6.0V）。
在上述仿真中，输入电压为6.8V。因此，输出电压为6.785V，接近6.8V。让我们进一步增加输入电压，产生过压情况。
现在，输入电压为7.5V，高于6.8V。然而，输出仍然保持在6.883V。这展示了齐纳二极管如何有效地将连接的电路从过压情况中拯救出来，并在电压回到低于6.8V时使电路正常工作，正如前面所示。这意味着与保险丝不同，齐纳二极管即使在过压情况下也不会损坏。
在上述电路中，可以使用其他额定值为3.3V、5.1V、9.1V、10.2V等的齐纳二极管，以选择不同的过压裕度。
2、齐纳稳压电路
齐纳稳压器可保护电路免受过压影响，并调节输入电源电压。以下是使用齐纳稳压器进行过压保护的电路图：
电路的预设电压是阈值，当电源超过该值时将断开或不允许输入电压。预设电压值取决于所选齐纳二极管的额定值。例如，使用5.1V的齐纳二极管，输出电压将不会超过5.1V。
随着输出电压的增加，基极-发射极电压降低，导致晶体管Q1的导通减少。由于Q1导通减少，它会降低输出电压，从而保持输出电压恒定。
输出电压定义为：
VO = VZ - VBE
VO是输出电压
VZ是齐纳击穿电压
VBE是基极-发射极电压
3、使用齐纳二极管的过压保护电路
下面的过压保护电路图使用齐纳二极管和PNP晶体管构建。当电压超过预设水平时，该电路将切断输出。预设值是连接到电路中的稳压二极管的额定值。根据需要，可以选择与预设值最接近的齐纳二极管额定值，但确切值可能有时难以找到。
1）所需元件
• BC557 PNP晶体管 - 2个
• 齐纳二极管5.6V (1N5234B) - 1个
• 电阻（1kΩ，2.2kΩ和6.8kΩ）- 每个1个
• 面包板
• 连接线
2）过压保护电路
3）过压保护原理
当电压低于预设电平时，Q2的基极处于高电平，由于它是PNP晶体管，所以关闭。同时，当Q2处于关闭状态时，Q1的基极端子处于低电平，允许电流通过。
当电压超过预设值时，齐纳二极管开始导通，将Q2的基极接地并打开Q2。当Q2导通时，Q1的基极端子变为高电平，使得Q1导通，这意味着Q1充当一个开关。因此，Q1不允许电流通过，并保护负载免受过压的影响。
此外，我们还需要考虑晶体管上的电压降，以确保电路的准确性。因此，我们使用了BC557 PNP晶体管，它具有非常低的饱和电压降。
4、如何选择用于过压保护的齐纳二极管？
选择齐纳二极管的值是一个关键因素，主要有以下几个方面：
1）选择齐纳二极管的电压
这是齐纳二极管将起到闭合电路并保护负载免受过压影响的电压值。对于以上示例中的过压保护电路，齐纳电压为5.6V。
在某些情况下，目标齐纳二极管电压可能不可用。在这种情况下，可以选择最接近目标值的齐纳二极管。例如，对于需要高达7V的过压保护，可以选择最接近的5.6V齐纳二极管。
2）计算连接在过压保护电路两端的负载电流
对于上述示例，负载电流为50mA。除了负载电流，还需要考虑齐纳二极管的偏置电流。因此，总电流应等于负载电流加上齐纳二极管的偏置电流。对于该示例，总电流可计算为：
总电流 = 50mA + 10mA = 60mA
3）齐纳二极管的额定功率
为了确保适当的散热，需要选择具有适当额定功率的齐纳二极管。齐纳二极管的额定功率可以根据步骤2中计算得出的总电流（60mA）来确定。因此，齐纳二极管的额定功率等于齐纳二极管的电压乘以通过二极管的总电流。
3、晶闸管Crowbar过压保护的要点：
晶闸管或可控硅整流器（SCR）可用于提供电源电路的过压保护。通过检测高电压，电路可以触发晶闸管，将其设置为短路或断路，以确保电压不会升至高电平。
5、电压钳位过压保护
另一种非常简单的过电压保护方法是使用称为电压钳位的技术。在最简单的形式中，可以使用放置在稳压电源输出端的齐纳二极管来实现。
选择一个略高于最大轨电压的齐纳二极管电压，它在正常情况下不导通。如果电压升得太高，它将开始导通，并将电压限制在稍高于轨电压的值。
如果稳压电源需要更高的电流能力，则可以使用带有晶体管缓冲器的齐纳二极管。这将增加简单齐纳二极管电路的电流承载能力，增益系数等于晶体管的电流增益。由于此电路需要功率晶体管，因此电流增益水平可能较低，通常为20-50。
6、电压限制
在需要过压保护的开关模式电源中，由于功耗要求、组件尺寸和成本的限制，使用SMPS钳位和短路器技术并不常见。
幸运的是，大多数开关模式稳压器在低电压条件下会失效。然而，在出现过压情况时设置电压限制功能通常是常用的做法。
通常可以通过检测过压情况并关闭变换器来实现这一点，尤其适用于DC-DC转换器的情况。为了实现这一点，需要在主IC稳压器外部添加一个感测回路，许多开关模式稳压器和DC-DC转换器使用单个芯片来完成大部分电路。
使用外部感测回路非常重要，因为如果开关模式稳压器芯片损坏导致过压情况，感测机制也可能会受损。然而，这种形式的过电压保护需要根据所使用的具体电路和开关模式电源芯片设计特定的电路。
总结
过压保护电路主要用于保护后级电器设备免受开关电源内部稳压环路故障或用户操作不当导致的输出电压超过设计阈值的损害，确保将输出电压限制在安全范围内。本文详细介绍了过压保护的原理、过压保护电路的原理以及构建过压保护电路的方法，希望对读者有所帮助。
关键词：罗姆电源管理
