電路設(shè)計之Crowbar電路
Crowbar 電路
crowbar 電路是一種過電壓保護(hù)電路。這種電路的設(shè)計思想是當(dāng)電源電壓超過預(yù)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(hù)設(shè)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(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(guān)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(dǎo)電的棍子)扔到電源導(dǎo)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(dǎo)通的，但是可以通過在控制端上的電壓或電流信號使其導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時其導(dǎo)通壓降大約在1-2V。 Crowbar 電路一般不會用三極管或場效應(yīng)管來短路電源，因為當(dāng)電源被短路后就無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了。
基本 crowbar 電路
下圖給出的是一個典型的Crowbar 電路。
當(dāng)電源電壓超過穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值后D1導(dǎo)通。當(dāng)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(guān)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(dāng)電源電壓比較低時我們需要改進(jìn)上面的電路使其控制電壓更精確一些。
精確 crowbar 電路
下面電路的開啟電壓要準(zhǔn)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(dāng)Vbe大于0.6V時三極管導(dǎo)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(zhǔn)電壓是 2.5V，所以上面電路中TL431的輸出電壓是5V， crowbar 電路的開啟電壓在 5.6 - 6.0 V之間.這個電路可以保護(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(biāo)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(biāo)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(fù)載的電源輸入端通常會有很大容量的電容，當(dāng)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(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(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(dāng)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(dāng)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(dǎo)通，R3上的壓降增加，直到晶閘管導(dǎo)通。
這個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，同時還能確保晶閘管迅速導(dǎo)通。利用簡單的電阻分壓電路就可以設(shè)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
