原標題：成就電子電路設計高手(10)，保護電子電路設計上篇

在電子電路設計中，保護電路的設計是確保電子設備在各種異常情況下安全、穩定運行的關鍵。在上篇中，我們討論了保護電路的重要性、常見的保護電路類型以及設計實例。本篇將繼續深入探討保護電子電路設計的具體方法和應用實例，重點關注過流保護、過壓保護、過熱保護等方面。

一、過流保護設計

過流保護是保護電子電路免受過大電流損害的重要措施。以下是幾種常見的過流保護設計方法：

1. 電阻限流法

• 原理：在電路中串聯一個電阻，利用電阻的壓降特性限制電流的大小。

• 應用：適用于小功率電路，但會增加電路的功耗和發熱。

2. 電流傳感器與繼電器保護法

• 原理：使用電流傳感器監測電路中的電流，當電流超過設定值時，通過繼電器切斷電源。

• 應用：適用于需要精確控制電流大小的場合，如電機驅動電路。

3. IGBT過流保護

• 特點：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。

• 保護方法：

1. 驅動電路中無保護功能時：在主電路中設置過流檢測器件，如電阻或電流互感器。通過檢測電阻兩端的電壓或電流互感器的輸出信號，判斷電流是否過大。當檢測到過流時，通過光耦管向控制電路輸出封鎖信號，關斷IGBT的觸發。

2. 驅動電路中設有保護功能時：使用集驅動與保護功能于一體的集成電路（混合驅動模塊）。這些模塊通過檢測IGBT的集電極-發射極電壓降（Uce）來判斷電流大小，當電流超過設定值時，自動關斷IGBT。

4. 運算放大器過流保護

• 原理：使用運算放大器監測負載電流，當電流超過設定值時，通過控制MOS管切斷負載電源。

• 應用：適用于需要精確控制負載電流的場合，如電源管理電路。

二、過壓保護設計

過壓保護是防止電子設備因電壓過高而損壞的重要措施。以下是幾種常見的過壓保護設計方法：

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，可以將電壓限制在擊穿電壓以下。

• 應用：適用于需要限制電壓峰值的場合，如電源輸入端。

2. TVS（瞬態電壓抑制器）過壓保護

• 特點：TVS具有極快的響應速度和高的浪涌吸收能力。

• 應用：適用于需要快速響應過壓事件的場合，如雷電保護。

3. 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，將電壓限制在一定范圍內。

• 應用：適用于需要承受較高能量的過壓事件，如電源浪涌保護。

4. 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：適用于需要快速切斷過壓電源的場合，如直流電源保護。

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。以下是幾種常見的過熱保護設計方法：

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：適用于需要精確監測設備溫度的場合，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：適用于需要智能化管理的設備，如服務器、數據中心等。

3. PTC（正溫度系數）熱敏電阻過熱保護

• 特點：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：適用于需要自恢復功能的場合，如電池充電器、電機驅動器等。

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：適用于所有需要防止電源反接的場合。

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：適用于所有包含電感負載的電路，如電機驅動電路、繼電器驅動電路等。

五、設計實例：IGBT過流保護與過壓保護綜合設計

以IGBT驅動電路為例，設計一套綜合的過流保護與過壓保護系統：

1. 過流保護

• 在IGBT的集電極與發射極之間串聯一個電流傳感器，監測IGBT的電流。

• 當電流超過設定值時，通過比較器輸出高電平信號，觸發光耦管導通。

• 光耦管的輸出信號控制驅動電路的封鎖信號，關斷IGBT的觸發。

2. 過壓保護

• 在IGBT的集電極與柵極之間并聯一個齊納二極管，限制柵極電壓。

• 在IGBT的集電極與地之間并聯一個MOV，吸收過電壓。

• 在電源輸入端設置撬棒電路，當電壓過高時觸發SCR導通，將電壓短路到地。

3. 散熱設計

• 為IGBT選擇合適的散熱器，確保其在正常工作溫度下運行。

• 在散熱器上涂抹導熱硅脂，提高散熱效率。

通過以上設計，可以確保IGBT驅動電路在過流和過壓情況下得到及時有效的保護，同時防止因溫度過高而損壞。

六、總結

保護電子電路的設計是確保電子設備安全、穩定運行的關鍵。在設計過程中，需要根據電路的具體需求和應用場合選擇合適的保護方法和器件。通過綜合運用過流保護、過壓保護、過熱保護等多種手段，可以構建一套完善的保護系統，為電子設備提供全方位的保護。