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5V过压保护电路的原理分析

原创 电路啊 2024-12-16 07:31
汽车智能照明背后的“黑科技”传感器，你知道吗？ 案例解析打通芯片/系统验证"任督二脉"
采用5V供电的设备，当供电电压因各种原因变得过高，可能会烧坏设备。

▲ 接入过高电压可能导致电路烧毁

于是5V过压保护电路有了用武之地。

▲ 5V过压保护电路

一、电路分析
1、当输入电压 Vin ＜ 5.1V 时：（下图以输入电压 Vin = 5V 举例）

D1是5.1V稳压管，此时输入电压Vin才5V，小于5.1V，所以稳压管D1未进入稳压状态，不导通。
5.1V稳压管不导通，导致三极管Q2的b极和e极都是5V，也就是Vbe = 0，所以三极管Q2也不导通。
MOS管Q1的g极被电阻R3拉到0V，MOS管Q1的 Vgs = 0V - 5V = -5V, 所以MOS管Q1导通， Vout电压等于5V，对后级电路正常供电。
2、当输入电压Vin在5.1V到5.7V之间时：（下图以输入电压 Vin = 5.4V 举例）

此时输入电压Vin ＝ 5.4V，大于稳压管D1的稳压值5.1V，所以稳压管导通并稳压在5.1V。
此时三极管Q2的 Vbe = 5.1V - 5.4V= -0.3V。PN结的导通电压要求Vbe达到-0.6V，所以三极管Q2仍然不导通。
MOS管Q1的g极被电阻R3拉到0V。MOS管Q1的 Vgs = -5.4V, 所以MOS管Q1导通， Vout电压等于5.4V，对后级电路正常供电。
3、当输入电压 Vin > 5.7V时：（下图以输入电压 Vin = 5.8V 举例）

此时存在3条电流路径。
  • 红色的电流路径①：电阻R1两端的电压 = 5.8V - 5.1V = 0.7V，流过0.7mA的电流。
  • 粉色的电流路径②：三极管Q2的Vbe = 5.2V - 5.8V = -0.6V，三极管Q2被打开，并饱和导通。
  • 蓝色的电流路径③：三极管Q2被打开，流过R3的电流 = 5.8 / 4.7 = 1.23mA。
此时MOS管Q1的 Vgs = 0，所以MOS管Q1不导通，即此时“5V过压保护电路”认为输入电压Vin已经过高，将输出电压Vout关断，从而保护了后面的负载电路。
输入电压Vin与输出电压Vout的关系大致如下：

二、电路扩展
如果要改为其他电压的过压保护电路，主要是换用不同稳压值的稳压管就行。

▲ 某一系列的稳压管有多种稳压值可选
换了稳压管，当然还要对应留意其他元件的参数，看是否要修改。

▲ 一种玻璃管封装的稳压管

比如：
  • 1、稳压管D1的限流电阻R1是否要调整。电流太小稳压管不导通，电流太大则电路功耗增加。
  • 2、三极管Q2的基极限流电阻R2是否要调整。
  • 3、MOS管Q1的Vgs是否还在合理范围。
三、最后
大学应届毕业生找工作，这种电路可能会考。
面试官可以同时考察应届生对稳压二极管、三极管、MOS管应用的掌握情况。

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