一种实用的过欠压防反接多功能保护电路
0 引言
在电网中，由于大功率负载关闭等动作，会导致供电电网电压产生很高的过压浪涌，这可能造成设备因为输入端过压浪涌而损坏；当设备输入电压过低时会导致设备工作不稳定，甚至损坏输入电源（电池过放会导致电池性能受损）。为了使设备工作更可靠，更能适应各种恶劣的过压浪涌等用电环境（如机载设备要求的80 V/50 ms 过压浪涌、车载设备要求的100 V/500 ms 过压浪涌[1]），本文针对以上情况设计了一款过欠压、防反接多功能保护电路[2]。
过欠压、防反接电路构成实现比较简单，所需器件比较少，仅为普通的电阻、二极管、瞬态抑制二极管、三极管和N 沟道MOS 管等。本保护电路成本较低，性价比较高；过欠压响应速度快，前端和后端设备都能得到及时保护；电子开关导通电阻仅为几个毫欧，压降几乎忽略不计，满足各种直流输入电路，不受输入电压、电流大小的限制。
作者简介：骆训卫（1977—），男，湖北嘉鱼，工程师，从事电源设计工作。
宋金华（1976—），男，江西新干，高级工程师，从事电源与电磁兼容研究与设计工作。
俱强伟（1996—），男，陕西咸阳，从事电源设计工作。
1 原理和功能
1.1 电路原理
过欠压、防反接多功能保护电路工作原理如图1所示。
过欠压、防反接多功能保护电路包括3 个功能电路部分：过压检测电路、欠压检测电路和电子开关电路；具有过压保护功能、欠压保护功能和防反接保护功能。过欠压、防反接多功能保护电路适用于各种直流工作电路。
1.2 保护功能
1.2.1 过压保护功能
按图1 所示，将过欠压、防反接多功能保护电路接入设备输入端，当输入电压超过设定的过压电压值时，过压检测电路动作，控制电子开关电路截止，保护后端用电设备的安全。
1.2.2 欠压保护功能
当输入电压低于设定的欠压电压值时，欠压检测电路动作，控制电子开关电路截止，保护前端电源（电池）设备。
1.2.3 防反接保护功能
当输入端的正负极性反接，防反接保护电路控制电子开关电路截止，既保护了后端用电设备，也保护了前端供电设备。
2 电路设计
2.1 使用条件
● 使用位置：适用于任何直流输入端、输出端；
● 输入电压：适用于任何直流输入电压；
● 输入电流：适用于任何直流输入电流。
2.2 组成电路
2.2.1 过欠压、防反接电路
过欠压、防反接电路[3] 如图2 所示。它由过压检测电路、欠压检测电路和电子开关电路3 个部分组成。
2.2.2 过压检测电路
过压检测电路见图2 所示，主要由电阻R1、电阻R4、瞬态抑制二极管V1、三极管V2 和二极管V3 组成。输入端电压工作在过压状态时，电阻R1 限制流过
瞬态抑制二极管的电流，调整电阻R1 阻值可以保护瞬态抑制二极管V1 不受损坏；当输入电压过压时，瞬态抑制二极管V1 反向击穿工作，使用反向击穿电压大小不同的瞬态抑制二极管V1，可以适用不同输入电压的过压电路；三极管V2 根据基极电流信号转换控制信号高低电位；当输入电压低于过压值时，电阻R4 将三极管V2 的基极电压箝位在低电位，三极管V2 处于截止状态，防止三极管V2 误动作。
当输入端工作电压低于过压临界电压时，瞬态抑制二极管反向截止，三极管V2 由于电阻R4 的箝位作用，控制信号为高阻状态；当输入端工作电压高于过压临界电压时，瞬态抑制二极管V1 反向击穿，输入端电压电流经电阻R1 限流后，流入三极管V2 的基极，三极管属于电流控制型，三极管V2 饱和导通，控制信号拉低到低电压0.7 V（二极管V3 的导通电压）。
2.2.3 欠压检测电路
欠压检测电路如图2 所示，主要由电阻R2、瞬态抑制二极管V4、电阻R3 和二极管V5 组成。
在输入端电压工作在正常电压范围内时，电阻R2、R3 限制流过欠压检测电路的电流，保护瞬态抑制二极管V4 和组成分压电阻网络调节控制信号电压的大小。当输入电压超过欠压电压时瞬态抑制二极管V4 反向击穿工作，使用反向击穿电压大小不同的瞬态抑制二极管V4，可以适用不同的欠压电路；在输入端电压工作在低于欠压电压值时，电阻R3 拉低控制信号电平到0.7 V（二极管V5 的导通电压）。
当输入端工作电压高于欠压电压临界值时，瞬态抑制二极管V4 反向击穿，控制信号电平为电阻R3 分压电压。当输入端工作电压低于欠压电压时，瞬态抑制二极管V4 反向截止，电阻R3 将控制信号电压拉低到0.7 V。
2.24 电子开关电路
电子开关电路[4-5] 见图2 所示，由N 沟通MOS 管Q1、Q2 和保护稳压管V6 组成。
稳压管V6 限制MOS 管Q1、Q2 的栅源电压不超过设定的电压范围，保护MOS 管Q1、Q2 的栅源电压不超过器件栅源电压的最大值。
控制信号电平为MOS 管Q1、Q2 的栅源电压。当MOS 管Q2 的栅源电压高于自身门极阈值时，MOS 管Q1、Q2 的漏极与源极导通，负载负极与输入负极导通，MOS 管Q1、Q2 的导通电阻为几毫欧，负极压降可以忽略不计。
3 功能裁剪与组合
3.1 过压保护功能
过压保护功能电路[6] 如图3 所示，由过压检测电路（去掉了二极管V3）、电子开关电路（去掉了MOS 管Q1）和欠压检测电路（去掉了瞬态抑制二极管V4 和二极管V5）组成。
当过压检测电路检测到输入电压高于过压值时，控制信号电平被三极管V2 拉低到低电平，MOS 管Q2 的栅极电压箝位到低电平，低于自身门极阈值，MOS 管Q2 处于截止状态，输入负极和负载负极不导通，输入正极、负载和输入负极形成不了电路回路，实现了过压保护功能。
3.2 欠压保护功能
欠压保护功能电路如图4 所示，由欠压检测电路（去掉了二极管V5）和电子开关电路（去掉了MOS 管Q1）组成。
当输入端工作电压高于欠压电压值时，欠压检测电路工作，控制信号电平高于MOS 管Q2 的门极阈值，MOS 管Q2 的漏极与源极导通，输入正极、负载和输入负极组成电路回路。
当输入端工作电压低于欠压电压值时，电阻R3 将MOS 管Q2 的栅极电压拉低到低电平，MOS 管Q2 的漏极与源极不导通，输入正极、负载和输入负极组成不了电路回路，实现了欠压保护功能。
3.3 防反接保护功能
防反接保护功能电路如图5 所示，由欠压检测电路（去掉了瞬态抑制二极管V4）和电子开关电路组成。当输入端正负极正常连接时，电阻R2 和R3 的分压电平保证控制信号电平电压高于MOS 管Q1、Q2 的门极阈值，MOS 管Q2 的漏极与源极导通，输入正极、负载和输入负极形成电路回路。
当输入正负极反接时，①由于二极管V5 的单向导通性，电压不能经由电阻R2、R3 分压；②电阻R2将MOS 管Q1、Q2 的栅极电压拉低到输入负极电压，MOS 管Q1、Q2 的源极和漏极关断； ③ MOS 管Q1的内部二极管的单向导通性，输入正极电压不能通过MOS 管Q1。由于这三方面的作用，输入正极、负载和输入负极无法组成电路回路，实现了防反接保护功能。
3.4 过欠压、防反接保护功能
过欠压防反接保护功能电路如图2 所示。当输入端工作电压低于欠压值时，由于欠压保护的作用，输入正极、负载和输入负极形成不了电路回路，实现了欠压保护功能。
当输入端工作在正常电压范围时，MOS 管Q2 的栅源电压高于门极阈值，MOS 管Q2 的源极和漏极导通，由于MOS 管Q1 的内部二极管单向导通性，输入正极、负载和输入负极形成了电路回路，电路能正常地工作。
当输入端电压工作高于过压值时，由于过压保护的作用，输入正极、负载和输入负极形成不了电路回路，实现了过压保护功能。当输入端的正、负极反接时，由于防反接保护功能，输入正极、负载和输入负极形成不了电路回路，实现了防反接保护功能。
4 设计验证
根据上述的过欠压防反接多功能保护电路，我们做了以下实例：
要求：受试电子设备正常工作时：直流输入电压范围（18 ～ 36）V，输出电压24 V，要求在浪涌电压幅值100 V，持续时间500 ms 和输入电压低于18 V 时不损坏电子设备。
根据以上要求，运用saber 仿真软件[7] 设计的过欠压、防反接多功能保护电路仿真电路图如图6 所示。
图6 运用saber设计的仿真电路图
参数如下表1 所示。
仿真波形如图7 所示。
图7 仿真波形
仿真结论：当输入电压高于34.5 V，或输入电压低于18 V，或输入电压正负极反向时，过欠压防反接多功能保护电路能快速响应，负极输入端关断。当输入电压在（18 ～ 34.5）V 范围内时，负载工作不受过欠压防反接电路的影响。
实际电路验证：模拟浪涌设备在正常工作时输出28 V，过压浪涌电压为100 V，持续时间500 ms，过压波形如图8所示。
图8 过压波形
按表1 参数搭设实际电路，过压浪涌时，负载端电压波形如图9 所示。
图9 负载端电压波形
通过图9 所示，当输入提供直流电压28 V 时，负载能正常工作，当100 V 电压过压浪涌时，过欠压、防反接电路快速关断，负载输入端电压为0，负载得到保护。当电压恢复到正常值时，负载又能正常的工作。
5 结束语
本文对过欠压、防反接多功能保护电路的工作原理和各保护功能电路进行了详细介绍和讲解。对过欠压、防反接多功能保护电路，我们也通过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，可以根据本文的讲解结合自己的实际需求，选择一种或几种自己需要的保护功能电路。
参考文献：
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[2] 童诗白.模拟电子技术基础[M].3版.北京:高等教育出版社,2005.
[3] 赵艳飞.输入浪涌抑制与防反接电路的优化设计[J].通信电源技术,2016,33(3):11-13.
[4] 张伟,张泰峰,鲁伟.基于MOSFET适用于母线开关的浪涌抑制电路[J].电源技术,2015(10):2222-2224.
[5] 刘增波,刘宗玉,张强.一种浪涌抑制电路过程分析与验证[J].计算机测量与控制,2016,24(11):265-268,272.
[6] 周成龙, 李子森,刘强,等.一种简易瞬态过压浪涌抑制电路的设计[J].安全与电磁兼容,2016(5):73-75.
[7] 华国环,费敬敬,季泽峥.Saber软件在“模拟电子技术”教学中的应用[J].电气电子教学学报,2015,37(6):109-111.
（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年7月期）
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