作者：田懷山、錢忠衛、成紅玉（通信作者）

摘要 

本文深入探討了 SGM40666AS 系列過壓保護（OVP）電路的保護行為設計，強調了其在保護電 子設備免受高電壓沖擊的重要性。首先，文章從 OVP 器件的基本功能出發闡釋了其設計的復雜性，并根據相關標準闡述如何去評估 OVP 保護能力，進而引出帶有內置浪涌吸收電路的 SGM40666AS 系列 OVP 器件。此外，文章基于實際使用環境揭示了 OVP 器件設計需要進一步考慮電源異常、濫用和接入異常的可能性，以及如何防止張弛震蕩避免觸發保護放電，并結合實例說明了其設計可行性。文末概述了相關的電磁兼容性標準，為 OVP 設計提供了行業標準參考。

1 過壓保護電路的基本概念與設計考量 

過壓保護（以下簡稱 OVP）器件行為設計的復雜性超乎想象，遠非幾個引腳功能看起來那么簡 單明了。 

當 OVP 器件的輸入端與電源連接時，需要從輸入取得供電，并在適當延遲后以一定速度接通輸 入和輸出。如果它的輸出負載事先被供電偏置，上述過程可輕松完成；但如果其輸出負載完全沒電，則需要設法在輸入出現供電時第一時間控制好主開關的柵極，才不會因為輸出是近零電位，導致在其內部對柵極下拉建立之前、因柵極電位被小幅度提升而出現對輸出的短暫充電。發生這個短暫充電的后果，對于 USB 應用來講，就是無法滿足其接觸對源影響的要求（該規格要求接觸過程中總轉移電量不超過 50 微庫）。圖 1 是一個不良設計的實測波形，顯示轉移電量達到了 100 微庫。

過壓保護，其字面含義已經說明它的用途是在輸出電壓高于預定電壓時阻斷輸入高壓和負載的 連接，以保護負載電路。如果輸入電壓緩慢變化，檢測其變化并當其超過閾值時立刻斷開開關即可實現過壓保護；當輸入電壓快速變化，則必須快速響應、立即斷開開關。但多快算是立即斷開呢？斷開前，負載和輸入是接通的，如果不限制輸入的電壓和源阻抗則無法估算多快才能算有效斷開。 

以 GB/T 17626.5（等同于 IEC 61000-4-5）的接觸放電源特性作為公允源標準來評估 OVP 的保 護能力：在輸入端施加標準約定的具有 1.2 微秒/50 微秒開路電壓波形和 8 微秒/20微秒短路電流波形的阻-容-感組合源沖擊，觀察經 OVP 保護后輸出殘壓水平；從開始輸入超過保護閾值的電壓到開關斷開，觀察從在輸入電壓上疊加高速階梯信號到斷開的延時。依靠耐壓不足的開關斷開無法有效地阻斷高電壓的測試源對負載的放電，因此 OVP 器件需要配合外置或者內置的浪涌吸收電路來分流沖擊能量。

2 SGM40666AS 系列 OVP 器件的特性 

SGM40666AS 系列即一組帶有浪涌吸收電路的 OVP 器件。當對輸入施加沖擊時，浪涌吸收電 路被觸發后進入放電狀態；由于放電電流過大，在吸收電路上仍會產生很高的電壓。圖 2 是 SGM40666AS 的沖擊吸收和過壓保護響應波形，圖 3 是其過壓延遲時間測量波形。

3 異常和濫用條件下的 OVP 表現 

如果不親歷上百伏的沖擊測試、感受其沖擊瞬時的強悍，一定會懷疑實際使用環境中如何能出 現這樣的沖擊條件，而產品返修數據反映使用較強沖擊釋放和浪涌吸收的 OVP 時，電源輸入部分的損壞占比會有效下降。如果實際使用環境中難以產生上百伏的沖擊，是什么導致電源輸入部分損壞、而實際有效的 OVP 電路又是如何保護電源輸入電路的呢？這個問題進一步揭示了 OVP 器件行為設計的復雜性。公允的沖擊測試條件不等同于應用環境，設計需要考慮電源異常、濫用和接入異常的可能性。這包括：交流電源失相導致零線電位偏移和輕負載過壓，進而導致一次側電流歸零異常引起空載高電壓、二次側反饋消失引起空載高壓、濫用自限流變壓器電源的空載高壓、誤接入高電壓、誤接入反相電源和高電壓帶載關斷時電壓反沖誤觸發。即使不是專門針對這些情況設計的，較強耐受的 OVP 電路可以承受更大的功耗，在出現這些問題時也一定表現更好。

當失相導致輕負載電壓過高時，參考圖 4，調制開關導通時間縮短和更高電壓導致寄生振蕩增 大；寄生振蕩產生的額外升壓存在燒毀 Z 和延遲對 VA 比例采樣的風險，進而導致輸出電壓飄高；或者二次側反饋部分損壞無法驅動光電二極管時，導致輸出電壓飄高。

無論是異常的電源還是濫用的自限流變壓器電源，這些電路的內在電流限制機制使其具有最大 開路電壓和最大短路電流，相當于具有圖 5 所示輸出特性。對于這類特性的電源，鉗位功率在電壓、電流處于限壓值和限流值一半附近時最高（類似地，以略高于輸出電壓的齊納鉗位易損壞）。對于連續的過壓，帶有吸收浪涌電路的 OVP 器件需要在較低電壓放電或者鉗位到較高電壓，才能在有限的散熱能力下提供有效的保護。

當接入連續的高壓或者接入反相電源時，SGM40666AS 系列在接入正向高電壓時以小電流對輸 入鉗位、在反相接入時以大電流鉗位到低電壓。圖 6 展示了提高輸入電壓觸發 SGM40666AS 過壓保護后，繼續升高電壓到出現鉗位的過程：在連接狀態下，10 毫安鉗位電流時電壓在 31 伏左右；在斷開狀態下，10 毫安鉗位電流電壓可達到 41 伏左右。鉗位功率分別是 0.3 瓦和 0.4 瓦，可保證芯片的安全工作。圖 7 顯示 SGM40666AS 在輸入反接時可通過很高的電流，足以保證常見規格電源的反接無法造成損傷。

4 防止張弛振蕩的設計策略 

當出現高于保護閾值的電壓時，首先斷開連接輸入輸出的開關；如果電壓繼續上升，為了防止 電流擊穿開關向負載放電，當電壓達到指定閾值，帶浪涌吸收的 OVP 電路會啟動保護放電。圖 2 可見，SGM40666AS 在該測試中的放電電流超過 40 安，如此大的放電電流可拉低電源電壓，在保護放電結束后，電源電壓會再次恢復。圖 8 表明，如果電源不斷嘗試輸出高壓，會一再觸發保護放電，最終呈現出的是連續的張弛振蕩。這個張弛振蕩也出現在利用 OVP 開關斷開輸入電源、導致反沖觸發保護放電時。張弛振蕩過程中，OVP 器件吸收和消耗大量能量，最終可觸發過熱失效，因此，OVP 器件的保護行為設計還需要防止張弛振蕩，并能在斷開時避免觸發保護放電。

SGM40666AS 觸發保護放電的條件包括輸入電壓達到一定值和輸入電壓變化速率達到一定值， 觸發后即轉入輸入并聯穩壓鉗位。如果輸入電壓是連續高壓，它將維持在鉗位狀態，此設計可有效地防止張弛振蕩。SGM40666AS 在直接接入 24 伏電源和斷開負載 4 安電流的 24 伏電源時都不會出現張弛振蕩或觸發保護放電（實測波形見圖 9、圖 10）。

SGM40666AS 系列包括 SGM40666AS、SGM40666BS 兩個型號，預置保護電壓閾值均為 6.79 伏；如果需要不同電壓閾值，可利用外置分壓電阻設置所需閾值（由于這個系列產品的保護放電觸發受到電壓和電壓變化速率兩個方面的作用，采用分壓電阻設置不影響浪涌測試的殘壓水平）。

SGM40666AS 和 SGM40666BS 兩個型號的關鍵指標如下所示。

抗浪涌、異常和濫用測試以及電磁兼容性標準 

IEC 61000-4-2 是 IEC（國際電工委員會，日內瓦）有關電磁兼容性基礎標準 IEC 61000 系列標 準之一。該標準致力于提取和量化電磁干擾的模型以及評估其影響，是被廣泛接受和公允的干擾模仿和影響評估標準；該標準被國際標準化組織 ISO、歐洲電工標準化機構 CENELEC 和中國國家標準等同引用為 ISO 61000、EN 61000 和 GB 17626 系列標準。IEC 61000-4-2 提取和量化了接觸放電、氣隙放電和耦合干擾的模型，其中接觸放電包括人體靜電接觸放電、設備本體放電、設備間接觸放電和耦合入電源的浪涌過程（接觸浪涌、擊穿浪涌和雷擊浪涌）。該分標準量化的接觸浪涌源，即具 有 1.2 微秒/50 微秒開路電壓波形和 8 微秒/20 微秒的接觸浪涌源，已成為 OVP 測試事實標準的一部分。上文討論的過壓和反接屬于異常和濫用情況，這部分的處理原則、模型提取和量化不在這個系列標準所考慮的范疇，而屬于 IEC 62368 的范疇。