一种实用的过欠压浪涌保护电路设计

骆训卫，宋金华，俱强伟，郑文群

（同方电子科技有限公司，江西 九江 332002）

0 引 言

供电电网并入大型功率设备在开车或停车时，供电电网电压的波动会非常大，输入电压远高于或远低于电子设备工作电压，对其他电子设备带来了严重的影响。输入电压过高时很可能损坏电子设备，输入电压过低时，电子设备不能正常工作，导致运行程序关闭、数据丢失。过欠压浪涌保护电路是一款非常不错而且实用的电路，不仅能解决输入过压带来的危害，还能解决输入过低设备不运转的情况，该过欠压浪涌保护电路构成简单、成本低，响应速度快，满足现在各标准规定的过欠压浪涌要求，对电子设备过流和短路也提供了保障[1]。

1 原理和功能

1.1 电路原理

所设计的过欠压浪涌保护电路工作原理框图如图1所示，包括过压浪涌保护电路、理想二极管“或”电路和欠压浪涌保护电路共三个部分组成。当直流输入电压过压时，过压浪涌保护电路设置输出电压在安全电压范围内；当直流输入电压欠压时，过压浪涌保护电路直通，欠压浪涌保护电路输出电压升高到安全电压范围内；当直流输入电压在正常电压范围内时，过压浪涌保护电路基本直通，欠压浪涌保护电路不起作用，理想二极管“或”电路直通，适用于工作环境复杂或有浪涌要求的直流电子设备输入端。

图1 工作原理框图

1.2 保护电路具体实现的功能

（1）当直流输入电压在电路正常输入范围时，电子设备工作电压为直流输入电压[2]。

（2）当直流输入电压高于电路输入过压设定值，电子设备工作电压为过压浪涌保护电路设定安全电压，实际应用时设置电压一般略低于正常范围的上限值。

（3）当直流输入电压低于电路输入欠压设定值，电子设备工作电压为欠压浪涌保护电路设定安全电压，实际应用时设置电压一般略高于正常范围的下限值。

2 电路硬件设计

2.1 电路主要性能指标

（1）输入电压范围为19.2 V～32.4 V，典型值为24 V。

（2）抗浪涌电压性能。启动电压扰动：输入电压跌至6 V时，设备不关机；耐浪涌电压冲击：设备承受峰值100 V，脉宽500 ms的电压冲击后能正常工作。

2.2 保护电路具体的设计方案

2.2.1 过压浪涌保护电路设计方案

过压浪涌保护电路如图2所示，主要由芯片LTC7862及其外围电路组成。LTC7862在正常运行期间可实现100%占空比直通模式，在过压或过流瞬态和故障以及启动期间进行开关；工作电压低至4 V、高至140 V，可调输出电压钳位高达60 V；可采用电阻或电感器DCR进行电流检测，能实现浪涌电流限制；具有可调输入电压开启阈值和可调输入过压锁定阈值[3]。

根据图2电路所示，过压浪涌保护电路输出电压经过电阻R8和R9编程钳位在32 V。该电路具有500 ms的最短浪涌持续时间，后端负载能在整个输入过压期间能正常工作。采集电感L1的DCR进行电流检测，限制输出电流，以免受过流或输出短路故障的影响。

图2 过压浪涌保护电路

当输入电压低于32 V时，芯片LTC7862持续地接通顶端外部N沟道MOS管V1，从而以极小的电压降将输入电压一直传递到输出端。

当输入电压处于过压浪涌时，芯片LTC7862控制两个外围N沟道场效应管V1和V2，使其充当直流/直流降压开关稳压器稳定输出32 V。

2.2.2 理想二极管“或”电路设计方案

理想二极管“或”电路如图3所示，由芯片LTC4357IMS8、N沟道场效应管V7（IPB026N06N）和输入输出滤波电容组成。理想二极管“或”电路的输入端与过压浪涌保护电路的输出端相连，输出端与电子设备的输入端相连。

图3 理想二极管“或”电路

LTC4357工作电压范围宽到9～80 V，通过采用一个N沟道场效应管V7替代一个功率肖特基二极管来降低功耗，能够很容易地对输入电压进行“或”操作，提高整个电路的效率和可靠性。在电路“或”应用中，LTC4357用于控制场效应管V7两端的正向电压降，以确保欠压浪涌保护电路与理想二极管“或”电路平滑电流转移而没有振荡现象。在电源发生故障或短路的情况下，0.5 μs快速关断场效应管V7可最大限度地减小反向电流瞬变[4]。

当直流输出电压低于过压浪涌保护电路输出电压时，芯片LTC4357IMS8的4脚输出高电平，控制场效应管V7导通；当直流输出电压高于过压浪涌保护电路输出电压时，芯片LTC4357IMS8的4脚输出低电平，场效应管V7不导通,关断“或”电路输入与输出。

2.2.3 欠压浪涌保护电路设计方案

欠压浪涌保护电路如图4所示，由芯片LTC3786IMSE及其外围电路组成，电路输入输出与理想二极管“或”电路的输入输出并接，两个电路组成并联电路。

图4 欠压浪涌保护电路

LTC3786是凌特公司推出的一款同步升压型DC/DC控制器，转换效率高达98%。以一个高效率N沟道场效应管取代了升压型二极管以提高效率和降低功耗，这样就可以去掉通常在中高功率升压型转换器中所需的散热器。拥有强大的1.2 Ω内置N沟道场效应管栅极驱动器能够快速转换大的场效应管栅极，最大限度地降低了转换损耗。输入电压范围4.5～38 V，启动后直至2.5 V都保持工作，可调节输出电压高达60 V。具有同步场效应管的100% 占空比能力，可运用电流检测电阻或监测电感DCR两端的压降来进行电流检测，在输入电压超过稳定输出电压时，LTC3786 能保持同步场效应管连续接通，以便输出电压以最低功耗跟随输入电压[5]。

本欠压浪涌保护电路输出电压根据实际应用编程设定为19.4 V。当从过压浪涌保护电路过来的电压低于设定的19.4 V时，LTC3786控制升压电路工作，直流输出电压保持在19.4 V的安全值；当过压浪涌保护电路过来的电压高于设定的19.4 V时，输入电压经由理想二极管“或”电路以很小的压降传递到直流输出端。

3 保护电路仿真验证与实际验证

用LTspice软件按图2电路图进行过压浪涌保护电路仿真，设定正常输入电压24 V，过压浪涌电压100 V，持续时间5 ms，过压浪涌保护电路输入输出电压波形如图5所示。

图5 过压浪涌保护电路输入输出电压波形

从图5过压浪涌保护电路输入输出电压波形可以看出，当输入电压为24 V时，输出电压也为24 V；当输入电压超过了设定的输出电压32 V时，输出电压维持在32 V；当输入电压恢复到正常电压24 V时，输出电压也恢复到24 V。

用LTspice软件按图3、图4所示的电路图进行欠压浪涌保护电路仿真，设定正常输入电压24 V，欠压浪涌电压6 V，持续时间5 ms，欠压浪涌保护电路输入输出电压波形如图6所示。

图6 欠压浪涌保护电路输入输出电压波形图

从图6欠压浪涌保护电路输入输出电压波形可以看出，当输入电压为24 V时，欠压浪涌保护输出电压也为24 V；当输入电压低于设定的输出电压19.4 V时，输出电压维持在19.4 V；当输入电压恢复到正常电压24 V时，输出电压也为24 V。

根据图2、图3和图4搭设实际电路，正常输入电压为24 V，过压浪涌电压为100 V，持续时间为500 ms，欠压浪涌电压为6 V，持续时间为500 ms。用双通道示波器监测输入和输出电压，过压浪涌保护电路输出波形图如图7所示，欠压浪涌保护电路输出波形图如图8所示。

图7 过压浪涌抑制波形图

图8 欠压浪涌抑制波形图

图7过压浪涌期间，输出电压为设定的32 V电压，在电子设备的安全工作电压范围。从图8可以看出，当欠压浪涌期间，输出电压为设定的19.4 V，在电子设备的安全工作电压范围。不难得出，不管是过压浪涌还是欠压浪涌，电子设备的输入电压都在安全电压范围内。

4 结 论

本文对过压浪涌和欠压浪涌以及正常工作电压时的工作原理和电路进行了详细的介绍和讲解。对过压浪涌和欠压浪涌保护电路，我们也通过了实例进行了电脑仿真验证和实际电路验证，都达到了所提要求。在实际应用中，我们可以根据本文的讲解和结合自己的实际需求，设定自己需要的安全值电压。