Crowbar电路

crowbar 电路是一种过电压保护电路。这种电路的设计思想是当电源电压超过预定值时将电源短路掉&＃xff0c;通过短路将电源电压硬生生的拉下了。这时电源通路上的保险丝等过电流保护设备起作用切断电源以防止损坏电源。从这种机制可以看出这个电路要求电源能够承受短时间的短路状态而不损坏&＃xff0c;否则虽然保护了后端设备但却牺牲了电源设备。

Crowbar 中文含义是撬棍&＃xff0c;我刚看到这个词时首先联想到的是杠杆&＃xff0c;以为这个电路用到了某种杠杆原理。不过后来发现这个电路的名字与杠杆一点关系都没有。所谓Crowbar 电路&＃xff0c;其实意思是就好像将一个撬棍&＃xff08;或其他的粗的导电的棍子&＃xff09;扔到电源导线上将其短路掉。这个名字起得挺没文化的&＃xff01;

Crowbar 电路中通常会用到晶闸管一类的元器件。这种元器件通常情况下是不导通的&＃xff0c;但是可以通过在控制端上的电压或电流信号使其导通。当晶闸管导通时其导通压降大约在1-2V。 Crowbar 电路一般不会用三极管或场效应管来短路电源&＃xff0c;因为当电源被短路后就无法提供维持三极管导通所需的基极电流。而可控硅一旦导通后就不需要控制信号了。

基本 crowbar 电路

下图给出的是一个典型的Crowbar 电路。

当电源电压超过稳压二极管的稳压值后D1导通。当电源电压超过稳压二极管的稳压值加上可控硅的开启电压时&＃xff0c;可控硅开启&＃xff0c;将电源电压拉低到1-2V。直到流过可控硅的电流减小到接近0时可控硅才会关闭。 电路中的电容用来确保不会被干扰误启动。

如果电源输出电流的能力是无限的&＃xff0c;很快crowbar 电路就会被烧毁&＃xff0c;因此电源输出电流必须被限制&＃xff0c;最简单的方法就是安装保险丝或者电源本身就是限流型的。

这个电路的一个缺点是开启电压很难精确的控制&＃xff0c;毕竟稳压二极管的稳压电压只有固定的几种&＃xff0c;并且稳压二极管的离散型比较大(2-5 %)&＃xff0c;还受温度影响。 可控硅的开启电压离散性也蛮大的。因此&＃xff0c;当电源电压比较低时我们需要改进上面的电路使其控制电压更精确一些。 

精确 crowbar 电路

下面电路的开启电压要准确的多。

TL431 是个廉价的电压源芯片&＃xff0c;可以输出2.5 到 36V 之间的电压。用它可以解决稳压二极管离散性大的缺点&＃xff0c;同时电压稳定度也比稳压二极管好得多。 

三极管T2用来解决可控硅开启电压离散型大的问题。当Vbe大于0.6V时三极管导通可控硅开启。由于三极管的放大作用使得电源电压很小的变化可以产生可控硅控制端较大的电压变化。虽然三极管也受温度影响&＃xff0c;但是整个电路开启电压的稳定度比原始的电路小得多。 

TL431 的基准电压是 2.5V&＃xff0c;所以上面电路中TL431的输出电压是5V&＃xff0c; crowbar 电路的开启电压在 5.6 - 6.0 V之间.这个电路可以保护5V供电的设备。 

di/dt 保护

上面的电路仍然有些值得改进的地方&＃xff0c;当可控硅的控制端的流入电流只比触发开启电流高一点点时&＃xff0c;晶闸管内部开始时只有一部分被开启了&＃xff0c;需要一定的时间才能使晶闸管完全的开启。这段时间大量的电流通过晶闸管内的部分区域&＃xff0c;很容易损坏晶闸管。晶闸管芯片手册上有一个指标叫做最大di/dt&＃xff0c;只有晶闸管流过的电流的变化率小于这个指标规定的最大值时晶闸管才是安全的。通常&＃xff0c;一个12A 的晶闸管的最大di/dt为100 A/µs。

负载的电源输入端通常会有很大容量的电容&＃xff0c;当Crowbar 电路工作时&＃xff0c;这个大电容会向晶闸管灌入大量的电流。尤其是大容量的陶瓷电容会产生相当大的di/dt 脉冲。一种保护晶闸管免受大电流冲击的办法就是串接一个电感&＃xff0c;利用电感来限制di/dt 。所需的电感量可以这样计算&＃xff1a;

U &＃61; L*di/dt 

L &＃61; U/(di/dt) 

在上面的电路中&＃xff0c;开启电压大约为 6V&＃xff0c;晶闸管的导通压降大约为 1V&＃xff0c;所以U &＃61; 6V - 1V &＃61; 5V。假设晶闸管可以承受的 di/dt 为100A/µs&＃xff0c;则电感量需不小于 50 nH。除此之外还要保证电感可以承受足够大的电流&＃xff0c;至少要在保险丝烧断之前不被烧坏。

另一个基于TL431的crowbar 电路

TL431的芯片手册上给出了一个参考电路如下。

当TL431的参考输入端的电压低于2.5V时&＃xff0c;流过TL431的电流不超过400 µA&＃xff0c;因此R3上的压降很小。当电源电压增大使得TL431的参考输入端的电压超过2.5V时&＃xff0c;TL431 导通&＃xff0c;R3上的压降增加&＃xff0c;直到晶闸管导通。 

这个电路的工作电压更准确。但是必须要用双向晶闸管&＃xff0c;普通的单向晶闸管不能工作。

改进的基于 TL431的Crowbar 电路

上面的电路还可以改进&＃xff0c;进一步消除温度对晶闸管的影响。

Crowbar 控制器

ON Semiconductor 有一款专用芯片MC3423&＃xff0c;控制电压更准确&＃xff0c;同时还能确保晶闸管迅速导通。利用简单的电阻分压电路就可以设置开启电压在4.5 V 到 40 V 之间。

与前面的电路相比&＃xff0c;这个电路的缺点是功耗稍大&＃xff0c;开启电压比较高。