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保护电路
工程和实验的区别：保护电路让板子活过第一次上电
ESD 防护
问题
人体静电: 可达 15kV (你感觉不到的放电)
器件耐受: MOSFET 栅极 ~20V, CMOS IC ~2kV (HBM)
冬季干燥、穿拖鞋走地毯 → 摸一下板子 → IC 挂了
症状: "昨天还能用的, 今天就不行了"
防护器件
TVS 二极管 (最常用)
选型:
工作电压 Vrwm > 被保护信号的最大正常电压
钳位电压 Vcl < 被保护器件的最大耐受
功率: 根据 ESD 等级 (IEC 61000-4-2)
布局铁律:
TVS 必须放在连接器旁边, 不是 IC 旁边!
走线: Connector → TVS (越近越好) → 串联电阻/磁珠 → IC
TVS 到 GND 的回路尽量短
USB 信号线 ESD 保护
USB 2.0 (D+/D-): 用专用 USB ESD 芯片
例: USBLC6-2, SRV05-4
电容 < 2.5pF (否则影响高速信号)
USB 3.x (SuperSpeed): 必须用极低电容 TVS
例: TPD4E05U06 (< 0.5pF)
VBUS: 用 5V~24V TVS (取决于 PD 电压)
GPIO / 低速信号
简单方案: 串联电阻 + 对地 TVS
GPIO ── 100Ω ──┬── TVS → GND
└── 到外部
电阻限制 ESD 电流, TVS 钳位电压
100Ω ~ 1kΩ, 依据信号速度
防反接保护
问题
DC 圆头 / 接线端子 → 正负极搞反 → 全板烧毁
特别是: 深夜、赶工期、给别人接线时
方案1: 串联二极管 (最简)
Vin ──▸├── 系统
│
(压降 Vf)
优点: 最简单
缺点: 压降 0.3~0.7V, 大电流时发热严重
P_loss = Vf × I → 3A×0.7V=2.1W 纯浪费
适用: <1A 小电流 / 不敏感电压降
方案2: PMOS 防反接 ★ 推荐
S D
Vin ────┬── P-MOSFET ──── 系统
│ G
│ │
└───┤├── GND
Rgs (10k~100k)
正常: Vin+ 接 S, G 通过 R 到 GND
→ Vgs = -Vin → PMOS 导通 → 几乎无压降
反接: G 通过 R 接 Vin+ → Vgs ≈ 0 → PMOS 截止
→ 体二极管反向截止 → 系统无电
压降 = I × Rds(on) → 典型 < 0.1V @ 3A (Rds(on)=30mΩ)
损耗 = I² × Rds(on) = 0.27W @ 3A (vs 二极管 2.1W!)
选MOS: Rds(on) 越低越好, Vgs(th) 要低于 Vin
Vds > Vin (留余量)
方案3: 整流桥 (全自动)
无论正反接都能工作, 但压降 2×Vf (两个二极管串联)
适用: 成本不敏感、电流不大
保险丝选型
类型
| 类型 | 熔断速度 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 快断 (Fast) | ms 级 | 半导体保护 |
| 慢断 (Slow/T) | 数百 ms~s | 电机/变压器/容性负载 |
| 自恢复 (PTC) | 不断, 限流 | USB 输出/电池包 |
| 贴片保险 | ms 级 | PCB 上小电流 |
选型参数
额定电流 In: 正常工作电流 × 1.25 (留余量)
例: 工作 2A → 选 2.5A
额定电压: 必须 ≥ 电路最高电压
分断能力: 故障时能切断的最大电流
电池供电: 至少 50A (短路电流很大!)
I²t: 能量积分, 熔断所需能量
选保险丝时确保 I²t(保险丝) < I²t(MOSFET 承受)
否则 MOS 先烧, 保险丝还没断
自恢复保险 (PTC)
原理: 过流→发热→阻值急剧增大→限流
恢复: 断电冷却后自动恢复
优点: 可重复使用, 不需要更换
缺点: 动作慢 (ms~s), 漏电流大, 阻值温度敏感
典型应用: USB 口保护 (500mA/1A/2A 规格)
电池包输出
不适合: 需要快速切断的精密电路
浪涌抑制
上电浪涌
容性负载上电瞬间:
电容初始电压 0V → 等效短路 → 电流尖峰
┌── R ──┬──
Vin ─┘ ┌┴┐
│C│ (大电容)
└┬┘
│
GND
I_peak = Vin / (R_线路 + ESR)
可能数倍于正常电流 → 烧保险丝/触发过流保护
方案
1. NTC 热敏电阻 (最简单):
冷态高阻 → 限流 → 自身发热 → 阻值下降 → 正常导通
缺点: 热态仍有残余电阻, 频繁开关时无效 (还没冷却)
2. 软启动 (有源):
MOSFET 栅极缓慢充电 → 逐渐导通 → 限制电流斜率
需要额外的 RC + MOSFET
3. 限流 IC:
专用热插拔控制器 (Hot Swap Controller)
如 TPS2490, LM5069
用于服务器/电信板卡 (带电插拔)
过压保护
TVS 钳位是瞬态的 (μs 级)
持续过压需要不同方案:
1. 齐纳 + 保险丝 (crowbar):
Vin ── 保险 ──┬── 系统
├── 齐纳 → GND
Vin > Vz → 齐纳导通 → 大电流 → 保险丝熔断
简单粗暴, 但需要换保险丝
2. OVP IC:
检测电压 > 阈值 → 切断 MOSFET
如: NCP346, AP9101C
可恢复, 不需要换保险丝
3. LDO 输入端做 OVP:
很多 LDO 内置输入过压保护
超出范围自动关断
实战检查清单
□ 每个对外连接器都有 ESD 保护 (TVS 靠近连接器)
□ 直流电源输入有防反接 (PMOS 或二极管)
□ 每条电源轨有合适的保险丝
□ VBUS/USB 供电有 PTC 自恢复保险
□ 大电容输入有浪涌抑制策略
□ 功率回路面积小 (减少寄生电感引起的尖峰)
□ 继电器/电机等感性负载有续流二极管
□ MOSFET 栅极有保护 (TVS 或齐纳 + 串联电阻)
关键词: ESD, TVS, 防反接, PMOS, 保险丝, PTC, 浪涌, 软启动, 过压保护, 续流