引言：每個電子元器件都都有其額定電壓，任何高于額定最大電壓的電壓都會導致器件損壞或降低其性能，從而導致系統(tǒng)故障。因此通過增加過壓保護來避免器件承受這些更高的電壓，基本核心是將這過電壓與下游設備隔離，或將輸出鉗位到一個安全電壓。

1.過壓的常見來源

施加于電子元器件的過電壓可能超過其內(nèi)部器件結構的雪崩擊穿電壓，從而導致電流過大，這種過度的電流會嚴重削弱、損壞整個器件或使器件過熱。

對低功耗和低成本的需求的增加推動了技術的改進，許多半導體器件現(xiàn)在在較低的電壓范圍內(nèi)運行。降低單個器件的電壓可以降低系統(tǒng)的整體功耗，從而提高電池壽命，提高效率，并間接降低成本（系統(tǒng)耗電更少），此外低壓器件的制造成本比高壓器件更低。然而隨著功率效率的提高和成本的降低，也帶來了一個副作用--->增加了器件對過電壓條件的敏感性。

過電壓有兩種類型：瞬態(tài)過電壓和連續(xù)過電壓，瞬態(tài)過電壓通常是由靜電放電ESD、瞬態(tài)電變化、熱插拔等產(chǎn)生的電壓振鈴或來自附近電源或轉換器的感應開關浪涌引起的。瞬態(tài)過電壓可以接近千伏，但通常持續(xù)時間很短，例如ESD事件可以持續(xù)60-100ns，而浪涌事件可以持續(xù)約20us。室外的電信設備可能暴露在閃電沖擊中--->另一種形式的瞬態(tài)過電壓，浪涌脈沖可以比常規(guī)電壓高一個數(shù)量級。這些系統(tǒng)需要特殊的保護要求，因為閃電瞬變的強度和持續(xù)時間都更為嚴重。

連續(xù)過電壓是指長時間持續(xù)存在的過電壓狀態(tài)和無限期的應激系統(tǒng)，上游電源、電壓調節(jié)器、轉換器故障或將不兼容的適配器插入系統(tǒng)，都可能導致連續(xù)過電壓。

2. 常用的過電壓保護方法

對于以上兩種類型的過電壓，有幾種不同的過電壓保護拓撲結構。

對瞬態(tài)過電壓條件的保護

由于瞬態(tài)過電壓條件的持續(xù)時間較短，因此任何保護方案的響應時間都必須足夠快，以盡量減少下游電路受應力時間。ESD二極管、瞬態(tài)電壓抑制器TVS管和齊納二極管可以將瞬態(tài)過電流引導到地平面，并箝位瞬態(tài)過電壓，使下游負載保持在安全工作區(qū)域內(nèi)。

金屬氧化物電敏電阻MOVs也可以抑制瞬態(tài)過電壓，比ESD二極管、TVSs和Zener二極管能吸收更多的能量，但響應時間較慢。TVS可以在ns內(nèi)響應，而MOV在us內(nèi)響應，因此ESD二極管和TVS被用于低壓電路，而MOV為交流電源或高壓直流級提供更好的保護。

防止連續(xù)過電壓條件

雖然瞬態(tài)過電壓保護方案可以快速響應瞬態(tài)過電壓，但它們不適合連續(xù)過電壓狀況，連續(xù)過電壓特點是持續(xù)時間更長。畢竟MOV、ESD二極管、TVS和Zener在失效前只能鉗制和耗散一定數(shù)量的能量。為了防止連續(xù)過電壓，有兩種常見的方法：過電壓鎖定和過壓箝位。

過電壓鎖定

過電壓鎖定（也稱為輸出電壓截止）是兩者中更簡單和更常見的保護方案，具有過電壓鎖定功能的電源開關通常有一個OVLO引腳，通過一個可配置的電阻分壓器監(jiān)測輸入電壓軌。一旦OVLO引腳的電壓超過一定閾值，內(nèi)部比較器關閉通過MOSFET，圖4-1是過電壓鎖定電路實現(xiàn)的典型簡圖。

圖4-1：過電壓鎖定方框圖

對于連續(xù)過電壓保護，需要更快的響應時間和穩(wěn)健的保護，以確保下游負載不會長時間暴露在過電壓環(huán)境下。例如eFuse可以對3us范圍內(nèi)的過電壓條件進行響應。只要輸入電壓超過設定的過電壓鎖定閾值，過電壓鎖定電源開關就將保持關閉狀態(tài)，一旦輸入電壓降到閾值以下，開關就會重新打開。

圖4-2顯示了eFuse的過電壓鎖定操作。過電壓鎖定設定點為17V，對12V標稱工作電壓施加18V的過電壓。一旦輸入電壓上升到設定的閾值以上，內(nèi)部場效應晶體管FET就會關閉，Vout緩慢下降，在FET關閉后，F(xiàn)LT會發(fā)出故障信號。

圖4-2：eFuse的過電壓鎖定響應

過電壓鉗位

當系統(tǒng)中出現(xiàn)短暫過電壓情況時，過電壓鉗位是另一種響應保護方式，在短暫過壓事件期間，有的系統(tǒng)需要持續(xù)保持工作，所以最好不要中斷下游負載，此時過電壓鉗位功能可以將輸出電壓夾在一個安全水平，而不是切斷系統(tǒng)電壓。在以下場景，可能會發(fā)生臨時過電壓：

1：上游低開關頻率DC/DC轉換器的負載突然跌落（波動）。

2：上游DC/DC轉換器在輕負載下以脈沖頻率調制工作。

3：負載由多輸出反激式轉換器的不受調節(jié)的次級繞組供電。

這些事件的持續(xù)時間可以從幾十us到數(shù)百us不等。

當輸入電壓超過某一閾值時，內(nèi)部鉗位激活并將輸出電壓限制在設定值，如圖4-3所示，從而確保了電源在仍然為負載供電的同時，系統(tǒng)不會暴露在輸入電源處存在的高電壓下。

圖4-3：過壓鉗位方框圖

只要在輸入上存在過電壓，輸出電壓將被鉗位到設定值，當輸入下降到輸出箝位閾值以下時，箝位將釋放并繼續(xù)正常工作。在輸入過電壓條件下，調節(jié)MOSFET的柵極以降低額外的電壓并箝位輸出電壓。MOSFET中的功耗是通過它的電壓降與流過的電流的乘積，如下式所示：

輸入過電壓和負載電流越高，為保持輸出電壓恒定，在MOSFET中耗散的功率就越高，因此內(nèi)部MOSFET可能會有明顯的發(fā)熱和器件結溫升高。如果過電壓狀態(tài)持續(xù)存在，可能會發(fā)生熱關斷，即器件停止工作并斷開電源上的負載，此時器件將保持閉鎖狀態(tài)或啟動自動重試循環(huán)直到溫度降低。

此外快速反應有可能降低或消除對外部TVS和齊納二極管等器件保護的依賴，例如具有快速過壓保護的eFuse的輸出鉗位響應時間為5us。圖4-4顯示了快速eFuse的過壓鉗位工作波形，該系統(tǒng)的過壓鉗值設置為5.7V，對5V標稱工作電壓施加8V的過電壓，一旦輸入電壓超過5.7V閾值，則調節(jié)內(nèi)部FET的柵極以鎖定輸出電壓在5.7V。

圖4-4：具有快速過壓保護的eFuse過壓鉗位響應

3. 結論

為了可靠地保護電源傳輸路徑，過電壓保護非常重要，不同的系統(tǒng)測試用例要求在過電壓條件下有不同的響應，如過電壓鎖定或過電壓箝位。而具有集成過電壓保護的eFuse器件則提供了靈活、快速和緊湊的保護方案。