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，許多半導體器件現在在較低的電壓范圍內運行。降低單個器件的電壓可以降低系統的整體功耗，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：瞬態過電壓和連續過電壓，瞬態過電壓通常是由靜電放電ESD、瞬態電變化、熱插拔等產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。瞬態過電壓可以接近千伏，但通常持續時間很短，例如ESD事件可以持續60-100ns，而浪涌事件可以持續約20us。室外的電信設備可能暴露在閃電沖擊中--->另一種形式的瞬態過電壓，浪涌脈沖可以比常規電壓高一個數量級。這些系統需要特殊的保護要求，因為閃電瞬變的強度和持續時間都更為嚴重。

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

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。

對瞬態過電壓條件的保護

由于瞬態過電壓條件的持續時間較短，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、瞬態電壓抑制器TVS管和齊納二極管可以將瞬態過電流引導到地平面，并箝位瞬態過電壓，使下游負載保持在安全工作區域內。

金屬氧化物電敏電阻MOVs也可以抑制瞬態過電壓，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內響應，而MOV在us內響應，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。

防止連續過電壓條件

雖然瞬態過電壓保護方案可以快速響應瞬態過電壓，但它們不適合連續過電壓狀況，連續過電壓特點是持續時間更長。畢竟MOV、ESD二極管、TVS和Zener在失效前只能鉗制和耗散一定數量的能量。為了防止連續過電壓，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測輸入電壓軌。一旦OVLO引腳的電壓超過一定閾值，內部比較器關閉通過MOSFET，圖4-1是過電壓鎖定電路實現的典型簡圖。

圖4-1：過電壓鎖定方框圖

對于連續過電壓保護，需要更快的響應時間和穩健的保護，以確保下游負載不會長時間暴露在過電壓環境下。例如eFuse可以對3us范圍內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，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，內部場效應晶體管FET就會關閉，Vout緩慢下降，在FET關閉后，FLT會發出故障信號。

圖4-2：eFuse的過電壓鎖定響應

過電壓鉗位

當系統中出現短暫過電壓情況時，過電壓鉗位是另一種響應保護方式，在短暫過壓事件期間，有的系統需要持續保持工作，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，而不是切斷系統電壓。在以下場景，可能會發生臨時過電壓：

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的次級繞組供電。

這些事件的持續時間可以從幾十us到數百us不等。

當輸入電壓超過某一閾值時，內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，箝位將釋放并繼續正常工作。在輸入過電壓條件下，調節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，因此內部MOSFET可能會有明顯的發熱和器件結溫升高。如果過電壓狀態持續存在，可能會發生熱關斷，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或啟動自動重試循環直到溫度降低。

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，則調節內部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。