Амплитуды скачков напряжения в низковольтных линиях электропитания иногда могут достигать значений, во много раз превышающих номинальный уровень. Такие ситуации часто требуют защиты от недопустимых уровней мощности. Обычным способом защиты чувствительных схем от перенапряжения является добавление параллельных ограничителей. Перед этими ограничителями с высокой способностью поглощения энергии устанавливаются предохранители или другие устройства ограничения тока. В других случаях требуется использование высоковольтной последовательной защиты (вместо параллельных ограничителей) из-за сложности сброса или замены предохранителей, труднодоступности рабочей среды или необходимости обеспечения бесперебойной работы. Схема последовательной защиты на Рисунке 1 отключает силовой ключ с помощью включенного последовательно высоковольтного n-канального MOSFET Q₁ и быстродействующего детектора перенапряжения. Силовой ключ и последовательно соединенный силовой выпрямительный диод D₁ защищают нагрузку от высоковольтных импульсных и длительных перенапряжений до ±500 В любой полярности.

Рисунок 1.	Эта схема защищает нагрузку, подключенную к правой паре клемм, от провалов и скачков напряжения питания, подаваемого на левую пару клемм.

В схеме, питающей нагрузки током до 1 А от линии с номинальным напряжением 12 В, драйвер коммутатора верхнего плеча IC₁ полностью открывает выключатель питания. Максимальный ток нагрузки можно увеличить, заменив элементы D₁ и Q₁. Для защиты от пониженного напряжения питания в микросхеме IC₁ предусмотрена соответствующая функция блокировки, которая разрешает работу только при входном напряжении, превышающем 10 В. Для защиты от перенапряжений в схему включен трехтранзисторный детектор повышенного напряжения без тока смещения, срабатывающий за 50 нс, когда входное напряжение достигает приблизительно 20 В. В этот момент транзистор Q₄ замыкает затвор силового ключа на землю, жестко запирая его. Рост напряжения сначала включает стабилитрон D₂, который защищает микросхему, ограничивая напряжение на ней примерно до 18 В. Падение напряжение от тока стабилитрона, протекающего через резистор 2.2 кОм, открывает транзистор Q₂. Это действие запускает быструю последовательность: транзистор Q₃ открывается, открывая транзистор Q₄, который запирает MOSFET Q₁, быстро разряжая его затворную емкость.

Чтобы проверить работоспособность схемы, можно приложить к шине питания импульс амплитудой 150 В в то время, когда c выхода схемы в нагрузку выдается ток 1 А при напряжении (Рисунок 2). Внутреннее сопротивление источника скачка напряжения составляет 1 Ом, а время воздействия – 1 мкс. В нормальном режиме работы схема потребляет 20 мкА, включая 3 мкА, идущие через делитель напряжения на входе детектора пониженного напряжения, и 17 мкА, потребляемые самой микросхемой IC₁. Если ваша конструкция требует работы при высоких температурах, учтите, что выходной ток управления затвором микросхемы IC₁ относительно невелик. В расчетах конструкции для работы при высоких температурах также следует уделять повышенное внимание токам утечки, которые вносят другие компоненты схемы.

Рисунок 2.	Подача импульса амплитудой 150 В на вход питания VIN схемы на Рисунке 1 практически не влияет на выходное напряжение VOUT.

1. Datasheet Analog Devices MAX1614
2. Datasheet ISC IXFH26N50