原標(biāo)題：成就電子電路設(shè)計(jì)高手(10)，保護(hù)電子電路設(shè)計(jì)上篇

在電子電路設(shè)計(jì)中，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是確保電子設(shè)備在各種異常情況下安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在上篇中，我們討論了保護(hù)電路的重要性、常見的保護(hù)電路類型以及設(shè)計(jì)實(shí)例。本篇將繼續(xù)深入探討保護(hù)電子電路設(shè)計(jì)的具體方法和應(yīng)用實(shí)例，重點(diǎn)關(guān)注過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等方面。

一、過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)

過(guò)流保護(hù)是保護(hù)電子電路免受過(guò)大電流損害的重要措施。以下是幾種常見的過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)方法：

1. 電阻限流法

• 原理：在電路中串聯(lián)一個(gè)電阻，利用電阻的壓降特性限制電流的大小。

• 應(yīng)用：適用于小功率電路，但會(huì)增加電路的功耗和發(fā)熱。

2. 電流傳感器與繼電器保護(hù)法

• 原理：使用電流傳感器監(jiān)測(cè)電路中的電流，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)繼電器切斷電源。

• 應(yīng)用：適用于需要精確控制電流大小的場(chǎng)合，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

3. IGBT過(guò)流保護(hù)

• 特點(diǎn)：IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）作為一種高功率半導(dǎo)體器件，對(duì)過(guò)流非常敏感。

• 保護(hù)方法：

1. 驅(qū)動(dòng)電路中無(wú)保護(hù)功能時(shí)：在主電路中設(shè)置過(guò)流檢測(cè)器件，如電阻或電流互感器。通過(guò)檢測(cè)電阻兩端的電壓或電流互感器的輸出信號(hào)，判斷電流是否過(guò)大。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流時(shí)，通過(guò)光耦管向控制電路輸出封鎖信號(hào)，關(guān)斷IGBT的觸發(fā)。

2. 驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)有保護(hù)功能時(shí)：使用集驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能于一體的集成電路（混合驅(qū)動(dòng)模塊）。這些模塊通過(guò)檢測(cè)IGBT的集電極-發(fā)射極電壓降（Uce）來(lái)判斷電流大小，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷IGBT。

4. 運(yùn)算放大器過(guò)流保護(hù)

• 原理：使用運(yùn)算放大器監(jiān)測(cè)負(fù)載電流，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)控制MOS管切斷負(fù)載電源。

• 應(yīng)用：適用于需要精確控制負(fù)載電流的場(chǎng)合，如電源管理電路。

二、過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)

過(guò)壓保護(hù)是防止電子設(shè)備因電壓過(guò)高而損壞的重要措施。以下是幾種常見的過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)方法：

1. 齊納二極管過(guò)壓保護(hù)

• 原理：齊納二極管在反向擊穿時(shí)具有穩(wěn)定的電壓特性，可以將電壓限制在擊穿電壓以下。

• 應(yīng)用：適用于需要限制電壓峰值的場(chǎng)合，如電源輸入端。

2. TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）過(guò)壓保護(hù)

• 特點(diǎn)：TVS具有極快的響應(yīng)速度和高的浪涌吸收能力。

• 應(yīng)用：適用于需要快速響應(yīng)過(guò)壓事件的場(chǎng)合，如雷電保護(hù)。

3. MOV（金屬氧化物壓敏電阻）過(guò)壓保護(hù)

• 原理：MOV在電壓升高時(shí)電阻值迅速下降，將電壓限制在一定范圍內(nèi)。

• 應(yīng)用：適用于需要承受較高能量的過(guò)壓事件，如電源浪涌保護(hù)。

4. 撬棒電路過(guò)壓保護(hù)

• 原理：利用SCR（可控硅整流器）的觸發(fā)特性，在電壓過(guò)高時(shí)觸發(fā)SCR導(dǎo)通，將電壓短路到地。

• 應(yīng)用：適用于需要快速切斷過(guò)壓電源的場(chǎng)合，如直流電源保護(hù)。

三、過(guò)熱保護(hù)設(shè)計(jì)

過(guò)熱保護(hù)是防止電子設(shè)備因溫度過(guò)高而損壞的重要措施。以下是幾種常見的過(guò)熱保護(hù)設(shè)計(jì)方法：

1. 熱敏電阻過(guò)熱保護(hù)

• 原理：熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)其阻值可以判斷設(shè)備的溫度。

• 應(yīng)用：適用于需要精確監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度的場(chǎng)合，如電機(jī)、電源等。

2. 溫度傳感器與微控制器保護(hù)法

• 原理：使用溫度傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫度，將溫度信號(hào)傳輸給微控制器。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微控制器控制繼電器切斷電源。

• 應(yīng)用：適用于需要智能化管理的設(shè)備，如服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等。

3. PTC（正溫度系數(shù)）熱敏電阻過(guò)熱保護(hù)

• 特點(diǎn)：PTC熱敏電阻在溫度升高時(shí)阻值迅速增加，限制電流通過(guò)，從而降低設(shè)備溫度。

• 應(yīng)用：適用于需要自恢復(fù)功能的場(chǎng)合，如電池充電器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。

四、其他保護(hù)設(shè)計(jì)

1. 反極性保護(hù)

• 原理：在電源輸入端串聯(lián)一個(gè)二極管，防止電源反接。

• 應(yīng)用：適用于所有需要防止電源反接的場(chǎng)合。

2. 反電動(dòng)勢(shì)保護(hù)

• 原理：在電感負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，防止電感在斷電時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)損壞開關(guān)器件。

• 應(yīng)用：適用于所有包含電感負(fù)載的電路，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路等。

五、設(shè)計(jì)實(shí)例：IGBT過(guò)流保護(hù)與過(guò)壓保護(hù)綜合設(shè)計(jì)

以IGBT驅(qū)動(dòng)電路為例，設(shè)計(jì)一套綜合的過(guò)流保護(hù)與過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)：

1. 過(guò)流保護(hù)

• 在IGBT的集電極與發(fā)射極之間串聯(lián)一個(gè)電流傳感器，監(jiān)測(cè)IGBT的電流。

• 當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)比較器輸出高電平信號(hào)，觸發(fā)光耦管導(dǎo)通。

• 光耦管的輸出信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路的封鎖信號(hào)，關(guān)斷IGBT的觸發(fā)。

2. 過(guò)壓保護(hù)

• 在IGBT的集電極與柵極之間并聯(lián)一個(gè)齊納二極管，限制柵極電壓。

• 在IGBT的集電極與地之間并聯(lián)一個(gè)MOV，吸收過(guò)電壓。

• 在電源輸入端設(shè)置撬棒電路，當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)觸發(fā)SCR導(dǎo)通，將電壓短路到地。

3. 散熱設(shè)計(jì)

• 為IGBT選擇合適的散熱器，確保其在正常工作溫度下運(yùn)行。

• 在散熱器上涂抹導(dǎo)熱硅脂，提高散熱效率。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，可以確保IGBT驅(qū)動(dòng)電路在過(guò)流和過(guò)壓情況下得到及時(shí)有效的保護(hù)，同時(shí)防止因溫度過(guò)高而損壞。

六、總結(jié)

保護(hù)電子電路的設(shè)計(jì)是確保電子設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)電路的具體需求和應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的保護(hù)方法和器件。通過(guò)綜合運(yùn)用過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等多種手段，可以構(gòu)建一套完善的保護(hù)系統(tǒng)，為電子設(shè)備提供全方位的保護(hù)。