原标题：成就电子电路设计高手(10)，保护电子电路设计上篇

在电子电路设计中，保护电路的设计是确保电子设备在各种异常情况下安全、稳定运行的关键。在上篇中，我们讨论了保护电路的重要性、常见的保护电路类型以及设计实例。本篇将继续深入探讨保护电子电路设计的具体方法和应用实例，重点关注过流保护、过压保护、过热保护等方面。

一、过流保护设计

过流保护是保护电子电路免受过大电流损害的重要措施。以下是几种常见的过流保护设计方法：

1. 电阻限流法

• 原理：在电路中串联一个电阻，利用电阻的压降特性限制电流的大小。

• 应用：适用于小功率电路，但会增加电路的功耗和发热。

2. 电流传感器与继电器保护法

• 原理：使用电流传感器监测电路中的电流，当电流超过设定值时，通过继电器切断电源。

• 应用：适用于需要精确控制电流大小的场合，如电机驱动电路。

3. IGBT过流保护

• 特点：IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为一种高功率半导体器件，对过流非常敏感。

• 保护方法：

1. 驱动电路中无保护功能时：在主电路中设置过流检测器件，如电阻或电流互感器。通过检测电阻两端的电压或电流互感器的输出信号，判断电流是否过大。当检测到过流时，通过光耦管向控制电路输出封锁信号，关断IGBT的触发。

2. 驱动电路中设有保护功能时：使用集驱动与保护功能于一体的集成电路（混合驱动模块）。这些模块通过检测IGBT的集电极-发射极电压降（Uce）来判断电流大小，当电流超过设定值时，自动关断IGBT。

4. 运算放大器过流保护

• 原理：使用运算放大器监测负载电流，当电流超过设定值时，通过控制MOS管切断负载电源。

• 应用：适用于需要精确控制负载电流的场合，如电源管理电路。

二、过压保护设计

过压保护是防止电子设备因电压过高而损坏的重要措施。以下是几种常见的过压保护设计方法：

1. 齐纳二极管过压保护

• 原理：齐纳二极管在反向击穿时具有稳定的电压特性，可以将电压限制在击穿电压以下。

• 应用：适用于需要限制电压峰值的场合，如电源输入端。

2. TVS（瞬态电压抑制器）过压保护

• 特点：TVS具有极快的响应速度和高的浪涌吸收能力。

• 应用：适用于需要快速响应过压事件的场合，如雷电保护。

3. MOV（金属氧化物压敏电阻）过压保护

• 原理：MOV在电压升高时电阻值迅速下降，将电压限制在一定范围内。

• 应用：适用于需要承受较高能量的过压事件，如电源浪涌保护。

4. 撬棒电路过压保护

• 原理：利用SCR（可控硅整流器）的触发特性，在电压过高时触发SCR导通，将电压短路到地。

• 应用：适用于需要快速切断过压电源的场合，如直流电源保护。

三、过热保护设计

过热保护是防止电子设备因温度过高而损坏的重要措施。以下是几种常见的过热保护设计方法：

1. 热敏电阻过热保护

• 原理：热敏电阻的阻值随温度变化而变化，通过监测其阻值可以判断设备的温度。

• 应用：适用于需要精确监测设备温度的场合，如电机、电源等。

2. 温度传感器与微控制器保护法

• 原理：使用温度传感器监测设备的温度，将温度信号传输给微控制器。当温度超过设定值时，微控制器控制继电器切断电源。

• 应用：适用于需要智能化管理的设备，如服务器、数据中心等。

3. PTC（正温度系数）热敏电阻过热保护

• 特点：PTC热敏电阻在温度升高时阻值迅速增加，限制电流通过，从而降低设备温度。

• 应用：适用于需要自恢复功能的场合，如电池充电器、电机驱动器等。

四、其他保护设计

1. 反极性保护

• 原理：在电源输入端串联一个二极管，防止电源反接。

• 应用：适用于所有需要防止电源反接的场合。

2. 反电动势保护

• 原理：在电感负载两端并联一个二极管，防止电感在断电时产生的反电动势损坏开关器件。

• 应用：适用于所有包含电感负载的电路，如电机驱动电路、继电器驱动电路等。

五、设计实例：IGBT过流保护与过压保护综合设计

以IGBT驱动电路为例，设计一套综合的过流保护与过压保护系统：

1. 过流保护

• 在IGBT的集电极与发射极之间串联一个电流传感器，监测IGBT的电流。

• 当电流超过设定值时，通过比较器输出高电平信号，触发光耦管导通。

• 光耦管的输出信号控制驱动电路的封锁信号，关断IGBT的触发。

2. 过压保护

• 在IGBT的集电极与栅极之间并联一个齐纳二极管，限制栅极电压。

• 在IGBT的集电极与地之间并联一个MOV，吸收过电压。

• 在电源输入端设置撬棒电路，当电压过高时触发SCR导通，将电压短路到地。

3. 散热设计

• 为IGBT选择合适的散热器，确保其在正常工作温度下运行。

• 在散热器上涂抹导热硅脂，提高散热效率。

通过以上设计，可以确保IGBT驱动电路在过流和过压情况下得到及时有效的保护，同时防止因温度过高而损坏。

六、总结

保护电子电路的设计是确保电子设备安全、稳定运行的关键。在设计过程中，需要根据电路的具体需求和应用场合选择合适的保护方法和器件。通过综合运用过流保护、过压保护、过热保护等多种手段，可以构建一套完善的保护系统，为电子设备提供全方位的保护。