本文深入探討了SGM40666AS系列過壓保護（OVP）電路的保護行為設(shè)計，強調(diào)了其在保護電子設(shè)備免受高電壓沖擊的重要性。首先，文章從OVP器件的基本功能出發(fā)闡釋了其設(shè)計的復(fù)雜性，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)闡述如何去評估OVP保護能力，進而引出帶有內(nèi)置浪涌吸收電路的SGM40666AS系列OVP器件。此外，文章基于實際使用環(huán)境揭示了OVP器件設(shè)計需要進一步考慮電源異常、濫用和接入異常的可能性，以及如何防止張弛震蕩避免觸發(fā)保護放電，并結(jié)合實例說明了其設(shè)計可行性。文末概述了相關(guān)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，為OVP設(shè)計提供了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參考。

01過壓保護電路的基本概念與設(shè)計考量

過壓保護（以下簡稱OVP）器件行為設(shè)計的復(fù)雜性超乎想象，遠非幾個引腳功能看起來那么簡單明了。

當(dāng)OVP器件的輸入端與電源連接時，需要從輸入取得供電，并在適當(dāng)延遲后以一定速度接通輸入和輸出。如果它的輸出負載事先被供電偏置，上述過程可輕松完成；但如果其輸出負載完全沒電，則需要設(shè)法在輸入出現(xiàn)供電時第一時間控制好主開關(guān)的柵極，才不會因為輸出是近零電位，導(dǎo)致在其內(nèi)部對柵極下拉建立之前、因柵極電位被小幅度提升而出現(xiàn)對輸出的短暫充電。發(fā)生這個短暫充電的后果，對于USB應(yīng)用來講，就是無法滿足其接觸對源影響的要求（該規(guī)格要求接觸過程中總轉(zhuǎn)移電量不超過50微庫）。圖1是一個不良設(shè)計的實測波形，顯示轉(zhuǎn)移電量達到了100微庫。

圖1 接觸電荷轉(zhuǎn)移超出USB規(guī)范要求的測試實例

過壓保護，其字面含義已經(jīng)說明它的用途是在輸出電壓高于預(yù)定電壓時阻斷輸入高壓和負載的連接，以保護負載電路。如果輸入電壓緩慢變化，檢測其變化并當(dāng)其超過閾值時立刻斷開開關(guān)即可實現(xiàn)過壓保護；當(dāng)輸入電壓快速變化，則必須快速響應(yīng)、立即斷開開關(guān)。但多快算是立即斷開呢？斷開前，負載和輸入是接通的，如果不限制輸入的電壓和源阻抗則無法估算多快才能算有效斷開。

以GB/T 17626.5（等同于IEC 61000-4-5）的接觸放電源特性作為公允源標(biāo)準(zhǔn)來評估OVP的保護能力：在輸入端施加標(biāo)準(zhǔn)約定的具有1.2微秒/50微秒開路電壓波形和8微秒/20微秒短路電流波形的阻-容-感組合源沖擊，觀察經(jīng)OVP保護后輸出殘壓水平；從開始輸入超過保護閾值的電壓到開關(guān)斷開，觀察從在輸入電壓上疊加高速階梯信號到斷開的延時。依靠耐壓不足的開關(guān)斷開無法有效地阻斷高電壓的測試源對負載的放電，因此OVP器件需要配合外置或者內(nèi)置的浪涌吸收電路來分流沖擊能量。

02SGM40666AS系列OVP器件的特性

SGM40666AS系列即一組帶有浪涌吸收電路的OVP器件。當(dāng)對輸入施加沖擊時，浪涌吸收電路被觸發(fā)后進入放電狀態(tài)；由于放電電流過大，在吸收電路上仍會產(chǎn)生很高的電壓。圖2是SGM40666AS的沖擊吸收和過壓保護響應(yīng)波形，圖3是其過壓延遲時間測量波形。

圖2 SGM40666AS接觸放電沖擊釋放和過壓保護響應(yīng)

圖3 SGM40666AS過壓關(guān)斷延遲時間測量

03異常和濫用條件下的OVP表現(xiàn)

如果不親歷上百伏的沖擊測試、感受其沖擊瞬時的強悍，一定會懷疑實際使用環(huán)境中如何能出現(xiàn)這樣的沖擊條件，而產(chǎn)品返修數(shù)據(jù)反映使用較強沖擊釋放和浪涌吸收的OVP時，電源輸入部分的損壞占比會有效下降。如果實際使用環(huán)境中難以產(chǎn)生上百伏的沖擊，是什么導(dǎo)致電源輸入部分損壞、而實際有效的OVP電路又是如何保護電源輸入電路的呢？這個問題進一步揭示了OVP器件行為設(shè)計的復(fù)雜性。公允的沖擊測試條件不等同于應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計需要考慮電源異常、濫用和接入異常的可能性。這包括：交流電源失相導(dǎo)致零線電位偏移和輕負載過壓，進而導(dǎo)致一次側(cè)電流歸零異常引起空載高電壓、二次側(cè)反饋消失引起空載高壓、濫用自限流變壓器電源的空載高壓、誤接入高電壓、誤接入反相電源和高電壓帶載關(guān)斷時電壓反沖誤觸發(fā)。即使不是專門針對這些情況設(shè)計的，較強耐受的OVP電路可以承受更大的功耗，在出現(xiàn)這些問題時也一定表現(xiàn)更好。

當(dāng)失相導(dǎo)致輕負載電壓過高時，參考圖4，調(diào)制開關(guān)導(dǎo)通時間縮短和更高電壓導(dǎo)致寄生振蕩增大；寄生振蕩產(chǎn)生的額外升壓存在燒毀Z和延遲對VA比例采樣的風(fēng)險，進而導(dǎo)致輸出電壓飄高；或者二次側(cè)反饋部分損壞無法驅(qū)動光電二極管時，導(dǎo)致輸出電壓飄高。

圖4 ACDC空載高壓失效示意圖

無論是異常的電源還是濫用的自限流變壓器電源，這些電路的內(nèi)在電流限制機制使其具有最大開路電壓和最大短路電流，相當(dāng)于具有圖5所示輸出特性。對于這類特性的電源，鉗位功率在電壓、電流處于限壓值和限流值一半附近時最高（類似地，以略高于輸出電壓的齊納鉗位易損壞）。對于連續(xù)的過壓，帶有吸收浪涌電路的OVP器件需要在較低電壓放電或者鉗位到較高電壓，才能在有限的散熱能力下提供有效的保護。

圖5 內(nèi)在限流、限壓及其鉗位功率

當(dāng)接入連續(xù)的高壓或者接入反相電源時，SGM40666AS系列在接入正向高電壓時以小電流對輸入鉗位、在反相接入時以大電流鉗位到低電壓。圖6展示了提高輸入電壓觸發(fā)SGM40666AS過壓保護后，繼續(xù)升高電壓到出現(xiàn)鉗位的過程：在連接狀態(tài)下，10毫安鉗位電流時電壓在31伏左右；在斷開狀態(tài)下，10毫安鉗位電流電壓可達到41伏左右。鉗位功率分別是0.3瓦和0.4瓦，可保證芯片的安全工作。圖7顯示SGM40666AS在輸入反接時可通過很高的電流，足以保證常見規(guī)格電源的反接無法造成損傷。

圖6 SGM40666AS系列的輸入鉗位電壓

圖7 接入反相電源時SGM40666AS的鉗位電流

04防止張弛振蕩的設(shè)計策略

當(dāng)出現(xiàn)高于保護閾值的電壓時，首先斷開連接輸入輸出的開關(guān)；如果電壓繼續(xù)上升，為了防止電流擊穿開關(guān)向負載放電，當(dāng)電壓達到指定閾值，帶浪涌吸收的OVP電路會啟動保護放電。圖2可見，SGM40666AS在該測試中的放電電流超過40安，如此大的放電電流可拉低電源電壓，在保護放電結(jié)束后，電源電壓會再次恢復(fù)。圖8表明，如果電源不斷嘗試輸出高壓，會一再觸發(fā)保護放電，最終呈現(xiàn)出的是連續(xù)的張弛振蕩。這個張弛振蕩也出現(xiàn)在利用OVP開關(guān)斷開輸入電源、導(dǎo)致反沖觸發(fā)保護放電時。張弛振蕩過程中，OVP器件吸收和消耗大量能量，最終可觸發(fā)過熱失效，因此，OVP器件的保護行為設(shè)計還需要防止張弛振蕩，并能在斷開時避免觸發(fā)保護放電。

圖8 接通時不斷觸發(fā)保護放電和不斷恢復(fù)過壓形成張弛振蕩的實例

SGM40666AS觸發(fā)保護放電的條件包括輸入電壓達到一定值和輸入電壓變化速率達到一定值，觸發(fā)后即轉(zhuǎn)入輸入并聯(lián)穩(wěn)壓鉗位。如果輸入電壓是連續(xù)高壓，它將維持在鉗位狀態(tài)，此設(shè)計可有效地防止張弛振蕩。SGM40666AS在直接接入24伏電源和斷開負載4安電流的24伏電源時都不會出現(xiàn)張弛振蕩或觸發(fā)保護放電（實測波形見圖9、圖10）。

圖9 SGM40666AS接觸接入24伏電源

圖10 SGM40666AS斷開負載4安電流的24伏電源

SGM40666AS系列包括SGM40666AS、SGM40666BS兩個型號，預(yù)置保護電壓閾值均為6.79伏；如果需要不同電壓閾值，可利用外置分壓電阻設(shè)置所需閾值（由于這個系列產(chǎn)品的保護放電觸發(fā)受到電壓和電壓變化速率兩個方面的作用，采用分壓電阻設(shè)置不影響浪涌測試的殘壓水平）。

SGM40666AS和SGM40666BS兩個型號的關(guān)鍵指標(biāo)如下所示。

抗浪涌、異常和濫用測試以及電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61000-4-2是IEC（國際電工委員會，日內(nèi)瓦）有關(guān)電磁兼容性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000系列標(biāo)準(zhǔn)之一。該標(biāo)準(zhǔn)致力于提取和量化電磁干擾的模型以及評估其影響，是被廣泛接受和公允的干擾模仿和影響評估標(biāo)準(zhǔn)；該標(biāo)準(zhǔn)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO、歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)CENELEC和中國國家標(biāo)準(zhǔn)等同引用為ISO 61000、EN 61000和GB 17626系列標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61000-4-2提取和量化了接觸放電、氣隙放電和耦合干擾的模型，其中接觸放電包括人體靜電接觸放電、設(shè)備本體放電、設(shè)備間接觸放電和耦合入電源的浪涌過程（接觸浪涌、擊穿浪涌和雷擊浪涌）。該分標(biāo)準(zhǔn)量化的接觸浪涌源，即具有1.2微秒/50微秒開路電壓波形和8微秒/20微秒的接觸浪涌源，已成為OVP測試事實標(biāo)準(zhǔn)的一部分。上文討論的過壓和反接屬于異常和濫用情況，這部分的處理原則、模型提取和量化不在這個系列標(biāo)準(zhǔn)所考慮的范疇，而屬于IEC 62368的范疇。

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