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【硬件-笔试面试题-70】硬件/电子工程师，笔试面试题（知识点：过压保护电路）

news 2025/9/10 6:27:37

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1、题目

过压保护电路

2、解答

过压保护电路（Over-Voltage Protection, OVP）是电子系统中防止因输入电压或输出电压过高（超过器件耐压阈值）导致电路损坏的关键模块，广泛应用于电源、电机驱动、消费电子等领域。其核心功能是：当监测到电压超过预设阈值时，通过切断供电、钳位电压或限幅等方式，保护后级电路（如芯片、电容、MOS 管等）免受高压冲击。

一、过压保护电路的核心要素

检测电路：实时监测目标电压（输入电压或输出电压），并与基准电压（阈值）比较。
比较电路：将检测到的电压与基准电压对比，输出控制信号（如高 / 低电平）。
执行电路：根据比较电路的信号，执行保护动作（如切断电源、钳位电压）。
基准电压源：提供稳定的阈值电压（如稳压管、精密基准源 TL431）。
复位 / 恢复机制：过压故障消除后，电路能否自动恢复或需手动复位（取决于应用场景）。

二、常见过压保护电路类型及原理

根据保护动作的不同，过压保护电路可分为切断型、钳位型、限幅型等，具体如下：

1. 切断型过压保护电路（最常用）

当电压超过阈值时，通过开关器件（如继电器、MOS 管、三极管）切断输入到后级电路的供电，是最直接有效的保护方式。

（1）继电器切断式过压保护

原理：用比较器判断电压是否超限，超限则驱动继电器断开主回路。
电路结构：
- 检测部分：电阻分压网络采集输入电压\(V_{in}\)，得到检测电压\(V_{sense} = V_{in} \times R2/(R1+R2)\)。
- 比较部分：运算放大器（如 LM358）将\(V_{sense}\)与基准电压\(V_{ref}\)（如稳压管提供）比较。
- 执行部分：若\(V_{sense} > V_{ref}\)，比较器输出高电平，驱动三极管导通，继电器线圈得电，常闭触点断开，切断后级供电。
特点：
- 优点：隔离性好（继电器触点无电气连接），可用于高压大电流场景。
- 缺点：继电器动作有延迟（毫秒级），体积较大，频繁动作易磨损。
应用：工业电源、家用电器的输入过压保护。

（2）MOS 管切断式过压保护（低压场景）

原理：用 MOS 管作为主开关，过压时关断 MOS 管，切断供电。
电路结构：
- 检测与比较：同继电器式，比较器输出信号控制 MOS 管的栅极。
- 执行：正常时，比较器输出低电平，MOS 管导通（N 沟道 MOS 管需栅极加正压）；过压时，比较器输出高电平，通过反相电路使 MOS 管栅极失压而关断。
特点：
- 优点：响应速度快（微秒级），无机械磨损，适合低压小功率场景（如 5V~24V 电路）。
- 缺点：MOS 管有导通电阻，大功率时需考虑散热。
应用：单片机系统、传感器模块的过压保护。

（3）可控硅（SCR）切断式（高压大电流）

原理：过压时触发可控硅导通，使保险丝熔断（或触发其他保护），切断电路。
特点：导通后维持导通状态（需断电复位），适合高压强电场景（如 AC220V 电路）。
应用：电源适配器、工业控制中的过压熔断保护。

2. 钳位型过压保护电路

当电压超过阈值时，通过钳位器件将电压限制在安全值，不切断供电，适用于允许短暂过压但需限制幅度的场景（如信号电路、芯片输入保护）。

（1）稳压管钳位电路（简单低成本）

原理：利用稳压管的反向击穿特性，当电压超过稳压值\(V_z\)时，稳压管击穿导通，将电压钳位在\(V_z\)左右。
电路：在被保护电路两端反向并联稳压管（如 12V 电路并联 15V 稳压管），串联限流电阻防止稳压管过流烧毁。
特点：
- 优点：结构简单，成本极低，响应快（纳秒级）。
- 缺点：钳位精度低（稳压管有误差），功耗大（过压时电流全部流过稳压管），适合小功率信号保护。
应用：芯片 IO 口、传感器信号输入端的过压保护。

（2）TVS 管钳位电路（瞬态过压）

原理：TVS（瞬态电压抑制器）是一种高效钳位器件，当瞬态过压（如雷击、浪涌）出现时，能在极短时间（纳秒级）内击穿，将电压钳位到击穿电压\(V_{br}\)以下，吸收瞬态能量。
特点：
- 优点：响应速度极快，能承受大瞬态功率（可达数千瓦），击穿后可自动恢复（无损坏）。
- 缺点：持续过压时会过热损坏，适合保护瞬态高压（而非持续过压）。
应用：电源输入端的浪涌保护、通信接口（如 USB、RS485）的过压保护。

3. 限幅型过压保护电路（线性调整）

通过线性调节器件（如三极管、稳压器）将输出电压限制在阈值内，适用于需要持续供电但需限制最高电压的场景（如锂电池充电保护）。

（1）三极管限幅电路

原理：用三极管监测电压，过压时导通，分流部分电流，使输出电压降低。
电路：电阻分压检测输出电压，过压时驱动三极管导通，将输出电压拉低（通过分流或调整前级电路）。
特点：输出电压不会突变，适合对电压波动敏感的电路，但效率低（功耗大）。

（2）集成稳压器过压保护（如 LDO 的 OVP）

许多集成稳压器（如 LM1117、TPS7A47）内置过压保护功能，当输入电压超过阈值时，内部开关关断，限制输出电压。
优点：集成度高，无需外部元件，适合小型化系统。

4. 数字控制型过压保护（智能保护）

结合 MCU 或专用保护芯片（如 MAX823、ADM1270）实现智能化过压保护，可设置精准阈值、延时保护、自动恢复等功能。

原理：MCU 通过 ADC 采集电压信号，与预设阈值比较，若超限则通过 GPIO 控制继电器或 MOS 管切断供电，同时可通过显示屏报警。
特点：阈值可调、保护逻辑灵活（如可设置延迟时间避免误触发）、支持多参数保护（过压 + 过流 + 过热）。
应用：精密仪器、服务器电源、新能源控制系统。

三、过压保护电路的关键参数

保护阈值：触发保护的电压值（需根据后级器件耐压设定，如芯片耐压 18V，阈值可设为 16V）。
响应时间：从过压发生到保护动作的时间（越快越好，瞬态保护需纳秒级，持续过压可毫秒级）。
复位方式：
- 自动复位：过压消失后自动恢复供电（适合临时过压场景）。
- 手动复位：需人工操作（如按复位键，适合严重过压故障，避免自动恢复导致二次损坏）。
耐流能力：保护电路能承受的最大电流（需匹配主回路电流，避免保护器件先烧毁）。