電路保護是一種不費吹灰之力的設計考慮因素：它是一種類似保險的成本，當事情進展順利時很少受到重視;當出現問題時，預計會對預期甚至難以預料的事件提供全面保護。設計人員需要提供與應用需求相匹配的電路保護，以防止任何可能對系統可靠性產生負面影響甚至導致徹底失效的內部和外部事件。根據應用和系統拓撲結構，可能需要在一個或多個或點（包括單個組件），內部級之間的互連以及系統外部信號和電源接口上進行保護。

有很多長實施保護的經過時間考驗的常規方法，以及針對某些特定的，日益普遍的保護情況而設計的新的創新方法和組件。工程師面臨的第一個挑戰是了解他們需要防范的內容。其中的擔憂是：

過電壓（穩態和瞬態）

過電流，要么剛剛超過適度的保護帶閾值，要么完全短路（再次，

極端溫度（通常過熱，但冷也可能是一個考慮因素）

反向電池連接（通常與汽車相關）

RFI/EMI引起的瞬變

這些保護問題中的一些是由于內部故障引起的，例如當電源設備發生故障并發生短路時;其他是由于外部事件造成的，例如電源輸出到地的意外短路或電源軌的元件端子;而其他是大規模外部問題的結果，如閃電直接或附近的設備。此外，一些故障，例如短路電源的輸出，可能是穩定狀態，而一些是瞬態事件，例如由EMI/RFI引起的故障（盡管它們引起的故障當然可能是持久的）。 p》

在大多數情況下，保護每種產品免受所有可能的故障模式的影響既不實際也不必要。例如，不需要保護消費級智能手機免受直接雷擊，同時需要對飛機電子設備這樣做。此外，“過量”的范圍可能非常寬：對于手持式電池供電設備，某些內部電路上的過壓可能低于10 V，而對于電源則可能是幾十或幾百伏。

為滿足這些系統的多樣化需求，供應商開發了各種電路保護設備以及拓撲結構，可充分利用這些設備。可用的保護器件包括：

基本半導體二極管，包括齊納二極管和肖特基二極管

有源“理想”二極管

基本熔斷鏈保險絲

斷路器

壓敏電阻（也稱為MOV或金屬氧化物壓敏電阻） - “擊穿”并短路超過電壓閾值，然后自復位

正溫度系數器件（PTC）電阻在電流閾值以上急劇增加，然后自復位

瞬態電壓抑制器（TVS） - 動作就像壓敏電阻，雖然電壓和速度不同

氣體放電管（GDT） - 作用就像壓敏電阻，雖然電壓和速度不同

在某些情況下，電路保護裝置的作用是保護整個系統，而在其他情況下，如果存在外部問題，則“保存”特定的高價值元件（例如功率MOSFET或IGBT）免受損壞。

除了不同的評級和基本功能外，這些保護設備之間存在重大差異：

其中大多數是無源的（如二極管），但有些是具有高級功能的有源器件。

有些（如TVS設備）速度很快，可以在幾毫秒甚至幾微秒內完成，而有些則動作較慢，可能需要幾秒鐘的時間才能做出反應（可熔連接保險絲），這可能是可以接受的

一些只是一次性使用，必須在執行保護功能后手動更換或復位（與熔斷鏈路或斷路器熔斷），而許多是自動復位（GDT）;趨勢是盡可能使用后者并且可以接受。

新設備補充，改進現有解決方案。

長期存在一對汽車相關情況，現在有越來越嚴重的后果：反向電池連接和負載突降。當有人錯誤地將加號（+）和減號（ - ）電纜連接到汽車中的電池時，可能會發生前者。幾十年前，當汽車沒有電子設備，除了收音機，甚至儀表板都是機械式的，如果有的話，這種損壞將是微乎其微的。同樣的問題適用于汽車關閉時發生的拋負載瞬變，電氣系統和電路中的任何儲存能量突然放電。

然而，這些事件中的任何一個都會產生嚴重后果。今天的汽車，包括復雜的電子產品，包括ADAS（先進的駕駛員輔助系統），包括備用攝像頭，導航，防抱死制動系統（ABS）和防翻滾感應;高端娛樂系統;全球定位系統;無線連接;和內部網絡，包括以太網。反向連接的電池或負載突降很容易導致許多這些子系統發生重大，危險和昂貴的故障，特別是因為汽車電池可以輕松地向負載提供數百安培。

傳統的反向電壓保護解決方案是使用無源半導體二極管來保護每個子系統或電路功能（圖1）。雖然這有效，但該方法有幾個缺點。主要原因是二極管的正向壓降，介于0.3和0.8 V之間，具體取決于二極管類型。這帶來了兩個問題：在低壓系統中，例如汽車和標稱12 V電池，即使很小的電壓損失也可能是可用軌道電位的很大一部分;此外，考慮到從電池汲取的高電流，下降轉換為功率損耗，低效率，甚至過度的熱耗散，這可能導致二極管發生故障。數學很簡單：使用低壓0.3 V肖特基二極管，適度10 A負載的耗散為30 W.

圖1：防止反向電池和負載突降影響的傳統方法是在電源軌中使用串聯二極管，但這在電壓降和功耗方面存在嚴重缺陷。 （來源：德州儀器）

幸運的是，具有智能拓撲的有源器件提供了另一種選擇。德州儀器公司最近推出的LM74610-Q1智能二極管控制器是一種雙端子器件，如二極管，帶有陽極和陰極，帶有集成電荷泵，可為相關的NFET器件提供柵極驅動。在正常工作條件下，晶體管導通，因此耗散非常低;此外，沒有靜態電流，因為沒有接地傳導路徑（圖2）。

圖2：德州儀器（TI）的LM74610-Q1智能二極管控制器采用快速，接近理想的二極管，無耗散，解決了電池/負載的反向問題傾銷困境。它被放置在系統中的每個電路板上，該電路板具有可能受到不利影響的電源軌。 （來源：德州儀器）

LM74610-Q1在電壓反轉時的響應時間小于8微秒，對于防止拋負載瞬變非常重要，并且可以承受最高45 V的反向電壓，超過汽車所需的過電壓范圍。小巧的8引腳，3 mm×5 mm VSSOP-8封裝對車內各種電路板的占位面積影響最小，這也是一個優勢。

更短的瞬態也是一個問題

這不僅僅是設計人員必須預見的電源軌問題。由ESD（靜電放電），CDE（電纜放電事件）和EFT（電快速瞬變）引起的短時，高能過壓事件可能會破壞或損壞連接到高速數據和傳輸線的敏感組件，甚至在消費類應用中，例如USB接口。

為避免這些問題，使用基本的瞬態電壓抑制器（TVS）。 TVS器件不僅必須鉗制過壓事件，而且必須快速完成。它們還必須具有非常小的電容，因此它們不會使數據信號失真，從而延長數據信號的前沿/下降沿的壓擺時間，從而阻礙正常的高速性能。

例如， Semtech公司的RClamp?1521PQ系列最大電容僅為0.5 pF，因此可用于帶寬高達3 GHz的高速鏈路。每個器件由兩個串聯的反向連接二極管組成，由于其標稱擊穿電壓為20 V（50°C），因此可以保護工作電壓高達15 V的單條數據線（圖3）。當施加的電壓超過設計閾值時，其中一個二極管進入反向擊穿模式并鉗位過高的電壓。這些易于使用的單功能組件符合IEC 61000-4-2第4級（±15 kV空氣，±8 kV接觸放電）的ESD抗擾度要求。

圖3：基本TVS的概念很簡單：使用一對背對背二極管;當任何一個的反向擊穿電壓超過正或負電壓時，相應的二極管將進入擊穿模式并鉗位過大的施加電壓。 （來源：Semtech公司）

這些器件采用單通道，雙引腳封裝，采用1.0×0.6×0.5 mm封裝，引腳間距為0.65 mm，占板面積最小;更大的多通道陣列版本也可用于數據線分組。這些TVS單元的響應時間很快，正負瞬態事件的響應時間為幾納秒（圖4）。

圖4：Semtech的RClamp?1521PQ系列中的TVS器件顯示對正負尖峰的納秒級響應，在發生任何損壞之前鉗制有問題的電壓。 （來源：Semtech Corp.）點擊此處查看完整尺寸的圖片。

低電壓受到關注，但更高的電壓會增加作用

在一個單位數字電壓的世界里操作得到了大部分注意，重要的是要注意數十伏的高壓設計仍然至關重要，特別是在涉及更高功率水平的情況下。由于這個原因和其他原因，MOV供應商正在推出其低壓產品系列的更高電壓版本。

Littelfuse，Inc。最近擴展了其LV UltraMOV?壓敏電阻系列，涵蓋14 VDC至56 VDC范圍（浪涌電流額定值高達8 kA，脈沖為8/20μs），可處理65°C的連續額定電壓VDC至125 VDC，額定浪涌電流額定值高達10 kA（脈沖為8/20μs）。

這些磁盤形設備（圖5）直徑為5，7，10，14和20 mm，適用于電信電源系統，無線基站，自動化控制，音頻和視頻設備，安全系統以及火災報警系統應用。酚醛樹脂涂層選項支持高達125°C的較高工作溫度，而標準環氧涂層等級為85°C，但其他規格幾乎相同。

《 p》圖5：Littelfuse公司的盤形LV UltraMOV?壓敏電阻系列支持各種最大鉗位電壓（MOV直徑的函數）和電流。 （來源：Littelfuse，Inc。）

最大鉗位電壓是MOV直徑的函數，圖6顯示10 mm系列的電壓與峰值電流，其中曲線圖上的鉗位電壓表示通過后綴“XXP”的后兩位數（XX）。最大峰值浪涌電流最高可達10 kA，這可能是間接雷擊或系統切換引起的峰值。

圖6：對于10 mm系列，最大峰值電壓與峰值電流的關系顯示夾持電壓在11到40 V之間;請注意，電流可以達到kA范圍。 （來源：Littelfuse，Inc。）

結論

實施電路保護的經常被低估的任務包括與電流，電壓和溫度相關的各種潛在條件，并且可能是內部或外部事件的結果，并作為瞬態或穩態發生。為了提供適當的保護，設計人員必須首先定義潛在問題的類型和強度，然后選擇一個或多個電路保護組件和相關技術。

其中一些已經在工程師“工具包”中使用多年，但也有新設備擴展了舊設備的范圍，或者提供了新的和創新的有源解決方案和拓撲。這些較新的設備在應對當今系統的挑戰方面發揮著重要作用，這些系統在尺寸，功率，速度和成本方面的要求越來越廣泛。