電路設(shè)計(jì)之Crowbar電路

最近看文獻(xiàn),，里面提到一種crowbar 電路，以前沒(méi)有接觸過(guò),，這兩天花了點(diǎn)時(shí)間研究了一下,。本文實(shí)際上是網(wǎng)上找到一篇英文的文章，寫的通俗易懂,。我（作者）覺(jué)得蠻不錯(cuò),，就翻譯了出來(lái)，原文有點(diǎn)啰嗦,，我做了些刪節(jié),。

Crowbar 電路

crowbar 電路是一種過(guò)電壓保護(hù)電路。這種電路的設(shè)計(jì)思想是當(dāng)電源電壓超過(guò)預(yù)定值時(shí)將電源短路掉,，通過(guò)短路將電源電壓硬生生的拉下了,。這時(shí)電源通路上的保險(xiǎn)絲等過(guò)電流保護(hù)設(shè)備起作用切斷電源以防止損壞電源。從這種機(jī)制可以看出這個(gè)電路要求電源能夠承受短時(shí)間的短路狀態(tài)而不損壞,，否則雖然保護(hù)了后端設(shè)備但卻犧牲了電源設(shè)備,。

Crowbar 中文含義是撬棍，我剛看到這個(gè)詞時(shí)首先聯(lián)想到的是杠桿,，以為這個(gè)電路用到了某種杠桿原理,。不過(guò)后來(lái)發(fā)現(xiàn)這個(gè)電路的名字與杠桿一點(diǎn)關(guān)系都沒(méi)有。所謂Crowbar 電路,，其實(shí)意思是就好像將一個(gè)撬棍(或其他的粗的導(dǎo)電的棍子)扔到電源導(dǎo)線上將其短路掉,。這個(gè)名字起得挺沒(méi)文化的!

Crowbar 電路中通常會(huì)用到晶閘管一類的元器件。這種元器件通常情況下是不導(dǎo)通的,，但是可以通過(guò)在控制端上的電壓或電流信號(hào)使其導(dǎo)通,。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)其導(dǎo)通壓降大約在1-2V,。 Crowbar 電路一般不會(huì)用三極管或場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)短路電源，因?yàn)楫?dāng)電源被短路后就無(wú)法提供維持三極管導(dǎo)通所需的基極電流,。而可控硅一旦導(dǎo)通后就不需要控制信號(hào)了,。

基本 crowbar 電路

下圖給出的是一個(gè)典型的Crowbar 電路。

當(dāng)電源電壓超過(guò)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值后D1導(dǎo)通,。當(dāng)電源電壓超過(guò)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值加上可控硅的開(kāi)啟電壓時(shí),，可控硅開(kāi)啟，將電源電壓拉低到1-2V,。直到流過(guò)可控硅的電流減小到接近0時(shí)可控硅才會(huì)關(guān)閉,。 電路中的電容用來(lái)確保不會(huì)被干擾誤啟動(dòng)。

如果電源輸出電流的能力是無(wú)限的,，很快crowbar 電路就會(huì)被燒毀,，因此電源輸出電流必須被限制，最簡(jiǎn)單的方法就是安裝保險(xiǎn)絲或者電源本身就是限流型的,。

這個(gè)電路的一個(gè)缺點(diǎn)是開(kāi)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(kāi)啟電壓離散性也蠻大的。因此,，當(dāng)電源電壓比較低時(shí)我們需要改進(jìn)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(kāi)啟電壓要準(zhǔn)確的多。

TL431 是個(gè)廉價(jià)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(diǎn)，同時(shí)電壓穩(wěn)定度也比穩(wěn)壓二極管好得多,。

三極管T2用來(lái)解決可控硅開(kāi)啟電壓離散型大的問(wèn)題,。當(dāng)Vbe大于0.6V時(shí)三極管導(dǎo)通可控硅開(kāi)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(gè)電路開(kāi)啟電壓的穩(wěn)定度比原始的電路小得多。

TL431 的基準(zhǔn)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(kāi)啟電壓在 5.6 - 6.0 V之間.這個(gè)電路可以保護(hù)5V供電的設(shè)備。

di/dt 保護(hù)

上面的電路仍然有些值得改進(jìn)的地方,，當(dāng)可控硅的控制端的流入電流只比觸發(fā)開(kāi)啟電流高一點(diǎn)點(diǎn)時(shí),，晶閘管內(nèi)部開(kāi)始時(shí)只有一部分被開(kāi)啟了，需要一定的時(shí)間才能使晶閘管完全的開(kāi)啟,。這段時(shí)間大量的電流通過(guò)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(cè)上有一個(gè)指標(biāo)叫做最大di/dt,，只有晶閘管流過(guò)的電流的變化率小于這個(gè)指標(biāo)規(guī)定的最大值時(shí)晶閘管才是安全的,。通常，一個(gè)12A 的晶閘管的最大di/dt為100 A/μs,。

負(fù)載的電源輸入端通常會(huì)有很大容量的電容,，當(dāng)Crowbar 電路工作時(shí)，這個(gè)大電容會(huì)向晶閘管灌入大量的電流,。尤其是大容量的陶瓷電容會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的di/dt 脈沖,。一種保護(hù)晶閘管免受大電流沖擊的辦法就是串接一個(gè)電感，利用電感來(lái)限制di/dt ,。所需的電感量可以這樣計(jì)算：

U = L*di/dt

L = U/(di/dt)

在上面的電路中,，開(kāi)啟電壓大約為 6V，晶閘管的導(dǎo)通壓降大約為 1V,，所以U = 6V - 1V = 5V,。假設(shè)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(xiǎn)絲燒斷之前不被燒壞。

另一個(gè)基于TL431的crowbar 電路

TL431的芯片手冊(cè)上給出了一個(gè)參考電路如下,。

當(dāng)TL431的參考輸入端的電壓低于2.5V時(shí),，流過(guò)TL431的電流不超過(guò)400 μA，因此R3上的壓降很小,。當(dāng)電源電壓增大使得TL431的參考輸入端的電壓超過(guò)2.5V時(shí),，TL431 導(dǎo)通，R3上的壓降增加,，直到晶閘管導(dǎo)通,。

這個(gè)電路的工作電壓更準(zhǔn)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(jìn)的基于 TL431的Crowbar 電路

上面的電路還可以改進(jìn)，進(jìn)一步消除溫度對(duì)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(zhǔn)確，同時(shí)還能確保晶閘管迅速導(dǎo)通,。利用簡(jiǎn)單的電阻分壓電路就可以設(shè)置開(kāi)啟電壓在4.5 V 到 40 V 之間,。

與前面的電路相比，這個(gè)電路的缺點(diǎn)是功耗稍大，開(kāi)啟電壓比較高,。