電路設計之Crowbar電路
Crowbar 電路
crowbar 電路是一種過電壓保護電路。這種電路的設計思想是當電源電壓超過預定值時將電源短路掉，通過短路將電源電壓硬生生的拉下了。這時電源通路上的保險絲等過電流保護設備起作用切斷電源以防止損壞電源。從這種機制可以看出這個電路要求電源能夠承受短時間的短路狀態(tài)而不損壞，否則雖然保護了后端設備但卻犧牲了電源設備。
Crowbar 中文含義是撬棍，我剛看到這個詞時首先聯(lián)想到的是杠桿，以為這個電路用到了某種杠桿原理。不過后來發(fā)現(xiàn)這個電路的名字與杠桿一點關系都沒有。所謂Crowbar 電路，其實意思是就好像將一個撬棍(或其他的粗的導電的棍子)扔到電源導線上將其短路掉。這個名字起得挺沒文化的!
Crowbar 電路中通常會用到晶閘管一類的元器件。這種元器件通常情況下是不導通的，但是可以通過在控制端上的電壓或電流信號使其導通。當晶閘管導通時其導通壓降大約在1-2V。 Crowbar 電路一般不會用三極管或場效應管來短路電源，因為當電源被短路后就無法提供維持三極管導通所需的基極電流。而可控硅一旦導通后就不需要控制信號了。
基本 crowbar 電路
下圖給出的是一個典型的Crowbar 電路。
當電源電壓超過穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值后D1導通。當電源電壓超過穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值加上可控硅的開啟電壓時，可控硅開啟，將電源電壓拉低到1-2V。直到流過可控硅的電流減小到接近0時可控硅才會關閉。 電路中的電容用來確保不會被干擾誤啟動。
如果電源輸出電流的能力是無限的，很快crowbar 電路就會被燒毀，因此電源輸出電流必須被限制，最簡單的方法就是安裝保險絲或者電源本身就是限流型的。
這個電路的一個缺點是開啟電壓很難精確的控制，畢竟穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓電壓只有固定的幾種，并且穩(wěn)壓二極管的離散型比較大(2-5 %)，還受溫度影響。 可控硅的開啟電壓離散性也蠻大的。因此，當電源電壓比較低時我們需要改進上面的電路使其控制電壓更精確一些。
精確 crowbar 電路
下面電路的開啟電壓要準確的多。
TL431 是個廉價的電壓源芯片，可以輸出2.5 到 36V 之間的電壓。用它可以解決穩(wěn)壓二極管離散性大的缺點，同時電壓穩(wěn)定度也比穩(wěn)壓二極管好得多。
三極管T2用來解決可控硅開啟電壓離散型大的問題。當Vbe大于0.6V時三極管導通可控硅開啟。由于三極管的放大作用使得電源電壓很小的變化可以產(chǎn)生可控硅控制端較大的電壓變化。雖然三極管也受溫度影響，但是整個電路開啟電壓的穩(wěn)定度比原始的電路小得多。
TL431 的基準電壓是 2.5V，所以上面電路中TL431的輸出電壓是5V， crowbar 電路的開啟電壓在 5.6 - 6.0 V之間.這個電路可以保護5V供電的設備。
di/dt 保護
上面的電路仍然有些值得改進的地方，當可控硅的控制端的流入電流只比觸發(fā)開啟電流高一點點時，晶閘管內(nèi)部開始時只有一部分被開啟了，需要一定的時間才能使晶閘管完全的開啟。這段時間大量的電流通過晶閘管內(nèi)的部分區(qū)域，很容易損壞晶閘管。晶閘管芯片手冊上有一個指標叫做最大di/dt，只有晶閘管流過的電流的變化率小于這個指標規(guī)定的最大值時晶閘管才是安全的。通常，一個12A 的晶閘管的最大di/dt為100 A/μs。
負載的電源輸入端通常會有很大容量的電容，當Crowbar 電路工作時，這個大電容會向晶閘管灌入大量的電流。尤其是大容量的陶瓷電容會產(chǎn)生相當大的di/dt 脈沖。一種保護晶閘管免受大電流沖擊的辦法就是串接一個電感，利用電感來限制di/dt 。所需的電感量可以這樣計算：
U = L*di/dt
L = U/(di/dt)
在上面的電路中，開啟電壓大約為 6V，晶閘管的導通壓降大約為 1V，所以U = 6V - 1V = 5V。假設晶閘管可以承受的 di/dt 為100A/μs，則電感量需不小于 50 nH。除此之外還要保證電感可以承受足夠大的電流，至少要在保險絲燒斷之前不被燒壞。
另一個基于TL431的crowbar 電路
TL431的芯片手冊上給出了一個參考電路如下。
當TL431的參考輸入端的電壓低于2.5V時，流過TL431的電流不超過400 μA，因此R3上的壓降很小。當電源電壓增大使得TL431的參考輸入端的電壓超過2.5V時，TL431 導通，R3上的壓降增加，直到晶閘管導通。
這個電路的工作電壓更準確。但是必須要用雙向晶閘管，普通的單向晶閘管不能工作。
改進的基于 TL431的Crowbar 電路
上面的電路還可以改進，進一步消除溫度對晶閘管的影響。
Crowbar 控制器
ON Semiconductor 有一款專用芯片MC3423，控制電壓更準確，同時還能確保晶閘管迅速導通。利用簡單的電阻分壓電路就可以設置開啟電壓在4.5 V 到 40 V 之間。
與前面的電路相比，這個電路的缺點是功耗稍大，開啟電壓比較高。
編輯：admin 最后修改時間：2018-01-05
