--- title: 保护电路 url: https://doc.liz6.com/hardware/08-power-and-protection/03-protection-circuits locale: zh area: hardware tags: - hardware - 电源与保护 date: 2026-06-30 modified: 2026-07-11 description: 工程和实验的区别：保护电路让板子活过第一次上电 --- # 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! ``` ```text 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*