原標題：成就電子電路設計高手(11)，保護電子電路設計下篇

在電子電路設計中，保護電路的設計至關重要，它關乎到電路的穩定運行和設備的安全。本篇將深入探討保護電子電路設計的具體策略和方法，重點介紹過流保護、過壓保護以及過熱保護等關鍵技術。

一、過流保護設計

過流保護是防止電路因電流過大而損壞的重要措施。

1. IGBT的過流保護

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）作為一種高功率半導體器件，對過流非常敏感。其過流保護設計需特別謹慎。

• 驅動電路無保護功能時：

• 小容量變頻器：將電阻直接串接在主電路中，通過電阻兩端的電壓來反映電流的大小。

• 大中容量變頻器：使用電流互感器（如霍爾傳感器），可串接在主回路中檢測流過IGBT的總電流，或串接在每個IGBT上直接反映每個IGBT的電流。

• 方法：在主電路中設置過流檢測器件，如電阻或電流互感器。

• 實現方式：

• 保護動作：過電流檢測信號經光耦管向控制電路輸出封鎖信號，關斷IGBT的觸發，實現過流保護。

• 驅動電路設有保護功能時：

• 改變二極管型號與個數：如IGBT通態飽和壓降為2.65V，驅動模塊過流保護臨界動作電壓值為7.84V時，可選用7個硅二極管（每個通態壓降約0.7V）與1個鍺二極管（通態壓降約0.3V）串聯，使總通態壓降之和為5.20V，與臨界動作電壓值相匹配。

• 二極管與電阻相結合：用電阻取代部分二極管，實現精確配合。

• 使用混合驅動模塊：如日本英達公司的HR065、富士電機的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，集驅動與保護功能于一體。

• 保護原理：利用在某一正向柵壓Uge下，正向導通管壓降Uce(ON)與集電極電流Ie成正比的特性，通過檢測Uce(ON)的大小來判斷Ie的大小。

• 調整保護動作點：

• 橋臂互鎖保護：

• 原理：防止同一橋臂上的兩個IGBT因控制信號重疊或開關器件本身延時過長等原因導致直通短路。

• 實現方式：用兩個與門對同一橋臂上的兩個IGBT的驅動信號進行互鎖，確保一個IGBT被確認關斷后，另一個IGBT才能導通。

2. 其他過流保護電路

• 穩壓器保護電路：通過監測晶體管的基極-發射極電壓，當電壓達到設定值時觸發保護。

• 運算放大器過流保護電路：使用運算放大器監測分流電阻上的電壓降，與預設閾值比較，實現過流保護。

• 保險絲和斷路器：用于較大交流電流的過流保護，保險絲在電流過大時熔斷，斷路器則利用雙金屬片或小型電感元件在電流過大時跳閘。

二、過壓保護設計

過壓保護是防止電路因電壓過高而損壞的重要措施。

1. 齊納二極管過壓保護

• 原理：齊納二極管在反向擊穿時具有穩定的電壓特性，將電壓限制在擊穿電壓以下。

• 應用：在電源輸入端設置齊納二極管，保護后續電路不受過電壓損害。

2. 可編程過壓保護電路

• 原理：使用可編程齊納二極管（如TL431）作為基準電壓源，通過調整外部電阻設置觸發電壓。

• 優點：提供更大的靈活性，可根據實際需求調整過壓保護點。

3. 電壓調節和保險絲過壓保護電路

• 原理：結合電壓調節器和保險絲，實現過壓和短路保護。

• 應用：在電源管理電路中廣泛使用，保護負載免受過電壓和短路損害。

4. MOV（金屬氧化物壓敏電阻）過壓保護

• 原理：MOV在電壓升高時電阻值迅速下降，吸收過電壓能量。

• 應用：在交流電源輸入端設置MOV，保護電路免受雷電、電網波動等引起的過電壓損害。

5. 撬棒電路過壓保護

• 原理：利用SCR（可控硅整流器）的觸發特性，在電壓過高時觸發SCR導通，將電壓短路到地。

• 應用：在直流電源輸入端設置撬棒電路，防止因操作失誤或設備故障引起的過電壓損害。

三、過熱保護設計

過熱保護是防止電子設備因溫度過高而損壞的重要措施。

1. 熱敏電阻過熱保護

• 原理：熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化，通過監測其阻值可以判斷設備的溫度。

• 應用：在需要精確監測溫度的場合使用，如電機、電源等。

2. 溫度傳感器與微控制器保護法

• 原理：使用溫度傳感器監測設備的溫度，將溫度信號傳輸給微控制器。當溫度超過設定值時，微控制器控制繼電器切斷電源。

• 應用：在需要智能化管理的設備中使用，如服務器、數據中心等。

3. PTC（正溫度系數）熱敏電阻過熱保護

• 原理：PTC熱敏電阻在溫度升高時阻值迅速增加，限制電流通過，從而降低設備溫度。

• 應用：在需要自恢復功能的場合使用，如電池充電器、電機驅動器等。

4. 散熱設計

• 重要性：良好的散熱設計是防止設備過熱的關鍵。

• 方法：

• 選擇合適的散熱器：根據設備的發熱量和工作環境選擇合適的散熱器。

• 涂抹導熱硅脂：在散熱器和發熱元件之間涂抹導熱硅脂，提高熱傳導效率。

• 優化電路布局：通過合理的電路布局減少熱阻，提高散熱效果。

四、其他保護設計

1. 反極性保護

• 原理：在電源輸入端串聯一個二極管，防止電源反接。

• 應用：在所有需要防止電源反接的場合使用。

2. 反電動勢保護

• 原理：在電感負載兩端并聯一個二極管，防止電感在斷電時產生的反電動勢損壞開關器件。

• 應用：在包含電感負載的電路中使用，如電機驅動電路、繼電器驅動電路等。

五、總結

保護電子電路的設計是電子電路設計中的重要環節。通過合理的過流保護、過壓保護和過熱保護設計，可以確保電路在各種異常情況下都能安全、穩定運行。同時，良好的散熱設計和反極性、反電動勢保護也是保障電子設備長期可靠運行的關鍵。作為電子電路設計高手，應熟練掌握這些保護技術，并在實際設計中靈活運用。