一种高压挡墙的电源过压保护电路的制作方法

本发明涉及工业现场使用仪表的直流电源高压过压保护技术领域，尤其涉及一种基于高压挡墙的电源过压保护电路。

背景技术

工业现场种类繁多的加工机械和动力设备的启停，如电焊、变频设备等。这些干扰既能以电磁场方式作用到现场的系统和仪表，也能通过电源入侵系统造成干扰。而通过电源造成的干扰是最直接的，甚至是破坏性的。因此，要提高工控现场设备和仪表的可靠性，首先要保证电源的可靠性。

虽然直流电源输出过电压的故障较少，但过电压具有破坏性，最有效的过压保护措施是使用瞬态电压抑制器件，如压敏或tvs。不但可以电源过压保护，还可以吸收电源因雷击或干扰造成的过电压尖峰脉冲。但是，压敏器件受温度影响大、残压高，例如，标称46v的压敏电阻残压有可能达到65v，残压的尖峰甚至更高，达到100v以上，远远超过正常使用时的电压范围，造成元器件损坏；而tvs器件吸收功率较小、单价比较高等原因，使用场所也存在限制。

采用以上几种直流电源过压保护方式，现场依然会存在硬件损坏、软件出错和电磁干扰，甚至人身伤害等各种风险。

场效应晶体管分为耗尽型场效应管和增强型场效应管，耗尽型场效应管vgs为零时，源极和漏极就可以导通，只有当vgs为某一负值，源极和漏极截止；增强型场效应管vgs为正值时，源极和漏极才可以导通，而当vgs为零时，源极和漏极截止。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于高压挡墙的电源过压保护电路，既简单可靠，又价廉物美的直流电源高压过压保护设计，使得高压挡墙电路之后的电压钳位在可靠电压范围之内，从而提高整个电路的工作稳定性，现场无需频繁停车，大大提高了工业仪表直流电源的可靠性和现场的实用性。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种高压挡墙的电源过压保护电路，包括依次连接的浪涌保护和吸收模块、过流和防反接保护模块和高压保护模块，浪涌保护和吸收模块用于瞬态过电压保护和滤除线路中的共模和差模干扰信号，过流和防反接保护模块用于防止电源反接损坏和过流保护，高压保护模块用于对尖峰电压进行钳位，使得后端电路电压被钳位；高压保护模块包括稳压管z1或tvs管和半导体三极管或场效应管，稳压管z1或tvs管连接在半导体三极管或场效应管和地之间。

作为本发明的优化方案，高压保护模块还包括第一电阻r1，场效应管为n沟道耗尽型场效应管q1，n沟道耗尽型场效应管q1的漏极与过流和防反接保护模块的输出端相连，n沟道耗尽型场效应管q1的源极与电源输出端相连，第一电阻r1的两端分别与n沟道耗尽型场效应管q1的栅极和源极相连，稳压管z1连接在n沟道耗尽型场效应管q1的栅极和地之间。

作为本发明的优化方案，高压保护模块还包括第四电容c4和电解电容c3，第四电容c4连接在n沟道耗尽型场效应管q1的栅极和地之间，电解电容c3连接在电源输出端和地之间。

作为本发明的优化方案，高压保护模块还包括第二电阻r2，场效应管为n沟道增强型场效应管q2，第二电阻r2连接在n沟道增强型场效应管q2的栅极和漏极之间，稳压管z1连接在n沟道增强型场效应管q2的栅极和地之间。

作为本发明的优化方案，高压保护模块还包括第五电容c5和电解电容c6，第五电容c5连接在n沟道增强型场效应管q2的栅极和地之间，电解电容c6连接在电源输出端和地之间。

作为本发明的优化方案，高压保护模块还包括第三电阻r3，半导体三极管为双极型晶体管q3，第三电阻r3连接在双极型晶体管q3的基极和集电极之间，稳压管z1连接在双极型晶体管q3的基极和地之间。

作为本发明的优化方案，高压保护模块还包括电解电容c7，电解电容c7连接在电源输出端和地之间。

作为本发明的优化方案，浪涌保护和吸收模块包括压敏电阻vdr1、第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第一电容c1和第二电容c2，所述的压敏电阻vdr1连接在电源输入端和地之间，第一电感l1的输入两端分别连接电源输入端和地，第一电容c1连接在第一电感l1的输出两端之间，第二电感l2和第三电感l3分别连接到第一电感l1的输出两端，第二电容c2分别连接在第二电感l2的输出端和第三电感l3的输出端。

作为本发明的优化方案，过流和防反接保护模块包括保险丝f1和二极管d1，保险丝f1的一端与第二电感l2的输出端相连，保险丝f1的另一端连接二极管d1的正极，二极管d1的负极连接高压保护模块。

本发明具有积极的效果：1)本发明采用了二级高压过压保护，第一级保护是浪涌保护和吸收模块的压敏电阻，当电源电压过压、并且大于压敏电阻标称电压时，压敏电阻迅速击穿导通；第二级保护是高压保护模块，当有高压信号时稳压管反向击穿，对残余尖峰电压进行可靠钳位，保证后端电路电压稳定可靠；

2)本发明提出一种既简单可靠，又节省成本的直流电源高压过压保护设计，使得高压挡墙电路之后的电压钳位在可靠电压范围之内，从而提高整个电路的工作稳定性，现场无需频繁停车，大大提高了工业仪表直流电源的可靠性和现场的实用性；

3)本发明所采用的器件也比较容易选型、采购和生产加工，且自身功耗较低，有利于提高电源效率，过压保护效果好，过压安全工作无需停车，对工业生产有着较好的安全保障作用，提升工作效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的整体原理框图；

图2为本发明的第一实施例电路结构图；

图3为本发明的第二实施例电路结构图；

图4为本发明的第三实施例电路结构图。

其中：1、浪涌保护和吸收模块，2、过流和防反接保护模块，3、高压保护模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种高压挡墙的电源过压保护电路，包括依次连接的浪涌保护和吸收模块1、过流和防反接保护模块2和高压保护模块3，浪涌保护和吸收模块1用于瞬态过电压保护和滤除线路中的共模和差模干扰信号，过流和防反接保护模块2用于防止电源反接损坏和过流保护，高压保护模块3用于对尖峰电压进行钳位，使得后端电路电压被钳位；高压保护模块3包括稳压管z1或tvs管和半导体三极管或场效应管，稳压管z1或tvs管连接在半导体三极管或场效应管和地之间。其中，高压保护模块3即高压挡墙。

如图2-4所示，浪涌保护和吸收模块1包括压敏电阻vdr1、第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第一电容c1和第二电容c2，压敏电阻vdr1连接在电源输入端和地之间，第一电感l1的输入两端分别连接电源输入端和地，第一电容c1连接在第一电感l1的输出两端之间，第二电感l2和第三电感l3分别连接到第一电感l1的输出两端，第二电容c2分别连接在第二电感l2的输出端和第三电感l3的输出端。压敏电阻vdr1主要应用于瞬态过电压保护，电路过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护后端器件，当电源电压过压，并且大于压敏电阻vdr1的标称电压时，压敏电阻vdr1迅速击穿导通。第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第一电容c1和第二电容c2的组合滤除了线路中的共模、差模干扰信号，对电路中突然变化的电流具有抑制作用，提高了端口的emc防护能力。

过流和防反接保护模块2包括保险丝f1和二极管d1，保险丝f1的一端与第二电感l2的输出端相连，保险丝f1的另一端连接二极管d1的正极，二极管d1的负极连接高压保护模块3。利用二极管d1的单向导通性来防止电源反接损坏，当电路负载过重，电流进一步增大，保险丝f1将迅速熔断，避免火灾和危险事故的发生。

实施例一

如图2所示，高压保护模块3还包括第一电阻r1，场效应管为n沟道耗尽型场效应管q1，n沟道耗尽型场效应管q1的漏极与过流和防反接保护模块2的输出端相连，n沟道耗尽型场效应管q1的源极与电源输出端相连，第一电阻r1的两端分别与n沟道耗尽型场效应管q1的栅极和源极相连，稳压管z1连接在n沟道耗尽型场效应管q1的栅极和地之间。高压保护模块3还包括第四电容c4和电解电容c3，第四电容c4连接在n沟道耗尽型场效应管q1的栅极和地之间，电解电容c3连接在电源输出端和地之间。n沟道耗尽型场效应管q1处于相对稳定的恒流区，id(漏极电流)恒定，vgs(栅源电压)恒定；当栅极电压超过稳压管z1稳压值的时候，稳压管z1击穿导通，对栅极电位进行了钳位，以不被高尖峰电压击穿，电源输出端的电压将始终被钳位不超过uz+vgs，其中，uz是稳压管的稳压值。n沟道耗尽型场效应管q1当vgs＝0时，即形成沟道，逐渐增加vgs时，即形成沟道，逐渐增加vgs时，多数载流子流出沟道，因而耗尽了载流子，使n沟道耗尽型场效应管q1转向截止。通常耗尽型场效应管q1的vgs最大值约-2v左右。

实施例二

如图3所示，高压保护模块3还包括第二电阻r2，场效应管为n沟道增强型场效应管q2，第二电阻r2连接在n沟道增强型场效应管q2的栅极和漏极之间，稳压管z1连接在n沟道增强型场效应管q2的栅极和地之间。高压保护模块3还包括第五电容c5和电解电容c6，第五电容c5连接在n沟道增强型场效应管q2的栅极和地之间，电解电容c6连接在电源输出端和地之间。只要电源输入端的电源电压不超过n沟道增强型场效应管q2的vds(漏源电压)，电源输出端的电压将始终被钳位不超过uz+vgs，n沟道增强型场效应管q2需加一定的栅极电压之后才有漏极电流，所以由后端电路引入一个较小的电压叠加在原有的栅极电压上，使得栅极电压高于源极电压，保证输入电源一上电，电路可以导通。

对于实施例一和实施例二中的n沟道耗尽型场效应管q1和n沟道增强型场效应管q2，可以选择rds(场效应管漏极与源极之间的电阻)尽可能小的型号，电压损耗小，更有利于提升电源效率。也可以选择vds电压比较大的n沟道场效应管，这样对提高端口的过压防护和emc防护的能力有好处。比如选择600v的vds电压场效应管，即使考虑了器件降额，也很轻松的应用在大部分的250vac工控场合使用的直流供电设备。

因大容量电解电容的存在，为了防止电源上电瞬间过冲，电源无法启动或烧毁器件，电路使用了缓启动设计，通过rc电路(第一电阻r1、第四电容c4)和(第二电阻r2、电解电容c6)分别对电解电容c3和电解电容c6进行充电，产生充电电流，在第一电阻r1或第二电阻r2上形成高电压，场效应管不导通，随着充电电流的降低，当第一电阻r1或第二电阻r2上的电压低到一定程度，场效应管vgs电压降低，开始导通工作。

实施例三

高压保护模块3还包括第三电阻r3，半导体三极管为双极型晶体管q3，第三电阻r3连接在双极型晶体管q3的基极和集电极之间，稳压管z1连接在双极型晶体管q3的基极和地之间。高压保护模块3还包括电解电容c7，电解电容c7连接在电源输出端和地之间。电源电压在正常工作范围时，双极型晶体管q3工作在放大区，电源电路正常输出；当电源电压超过稳压管z1的稳压值以后，双极型晶体管q3的ube(基极和发射极之间的电压)小于0.7v(锗管ube小于0.3v)，双极型晶体管q3截止，输出端无电压。

双极型晶体管q3的电流选择需要比电源电路中的电流大，正常使用可考虑2/3的降额设计。同时pcb布板时请注意增加散热面的设计，或增加散热片设计

上述三个实施例的第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3的选择与本身的功率有关，

r＝(umax-uz)²/pr额定值

其中，umax是电源电路有可能出现的最高电压，uz是稳压管的稳压值。第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3需根据电源电压范围选择合适的功率，避免稳压管z1超过使用功率范围。

稳压管z1的功率选择可以按照稳压值乘第一电阻r1、第二电阻r2或第三电阻r3的电流值(umax-uz)/r进行计算。

对电解电容c3、电解电容c6或电解电容c7，优选长寿命、大容量、低阻抗电解电容可有效解决电压跌落和短时中断所出现的供电故障。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。