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一種浪涌保護電路的研究和設計

2020年電子技術應用第7期

董大偉，李江陵

中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司，北京100190

摘要： 浪涌沖擊是電子產(chǎn)品常見問題之一，它經(jīng)常造成電子產(chǎn)品的損壞。設計了一種新型的浪涌保護鉗位電路，該保護電路包括一個基準電路以及一個反饋控制電路。基準電路在源電壓超過鉗位電壓時根據(jù)源電壓生成基準電壓，反饋控制電路用于接收基準電壓并將輸出電壓鉗位到鉗位電壓。基于上華0.18 μm CMOS的工藝對其仿真，結果表明該電路可以很好地實現(xiàn)38 V、27 V、18 V、10 V的鉗位，與傳統(tǒng)的TVS二極管相比，具有低漏電流、恒定的鉗位電壓和接近于零的導通電阻等優(yōu)點。

關鍵詞： 浪涌保護鉗位電路 TVS二極管集成電路

中圖分類號： TN402
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200395
中文引用格式： 董大偉，李江陵. 一種浪涌保護電路的研究和設計[J].電子技術應用，2020，46(7)：74-77.
英文引用格式： Dong Dawei，Li Jiangling. Research and design of a surge protection circuit[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(7)：74-77.

Research and design of a surge protection circuit

Dong Dawei，Li Jiangling

China Electronic Corporation，Beijing 100190，China

Abstract： Surge shock is one of the major reliability issues in electronic products. It causes damage to electronic products. This paper invesitgated and designed a new type of surge protection clamp circuit, which includes a reference and a feedback control. The reference circuit generates a reference voltage based on the source voltage when the source voltage exceeds the clamping voltage, and the feedback control circuit is used to receive the reference voltage and clamp the output voltage to the clamping voltage. Based on the simulations of Shanghua 0.18 μm CMOS process, the results show that the circuit achieves 38 V，27 V，18 V，10 V clamping. Compared with traditional TVS diodes, it has low leakage current and constant clamping voltage ,and on-resistance is close to zero.

Key words : surge protection；clamp circuit；TVS diode；integrated circuit

0 引言

眾所周知，電子產(chǎn)品在使用中經(jīng)常會遇到意外的電壓瞬變和浪涌，從而導致電子產(chǎn)品的損壞。損壞的原因是電子產(chǎn)品中的半導體器件(包括二極管、晶體管、可控硅等)被燒毀或擊穿。據(jù)估計，電子產(chǎn)品的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的^[1-5]。電壓的瞬變和浪涌無處不在，電網(wǎng)、雷擊、爆破,就連人在地毯上行走都會產(chǎn)生上萬伏的靜電感應電壓，這些，都是電子產(chǎn)品的隱形致命殺手。

因此，為了提高電子產(chǎn)品的可靠性和人體自身的安全性，必須對電壓瞬變和浪涌采取防護措施。

通常，采用浪涌保護器以確保提供給受保護電子設備的電壓不超過其擊穿電壓。提供這種浪涌保護功能的常規(guī)設備包括瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管^[6-7]和通過模擬電路實現(xiàn)的電壓調(diào)節(jié)器^[8-9]。常規(guī)的TVS二極管結構如圖1所示。將TVS二極管與需保護電路或器件并聯(lián)，當浪涌來臨時，它能將電壓鉗位在一定值并且泄放大量電流，以此來保護內(nèi)部電路不被擊穿。

傳統(tǒng)的TVS二極管其鉗位電壓會隨著二極管吸收的電流變化而變化^[10-12]。因此TVS二極管的鉗位電壓相比于其觸發(fā)電壓會更大，在I-V曲線中兩者的斜率稱為TVS二極管的導通動態(tài)電阻，顯然具有高的動態(tài)電阻的鉗位器件會導致浪涌保護機制不理想，因為為了令其鉗位電壓達到要求，必須將TVS二極管的觸發(fā)電壓設置為低于實際所需的鉗位電壓，這樣會導致其觸發(fā)電壓過低引起TVS二極管的誤觸發(fā)。

為了避免上述問題，并提供更精確的浪涌保護解決方案，期望減小鉗位器件的動態(tài)電阻從而使其鉗位電壓與電流水平無關。本文研究并設計了一種新型的浪涌保護鉗位電路，該保護電路包括一個基準電路以及一個反饋控制電路。

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作者信息:

董大偉，李江陵

(中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司，北京100190)

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