一、过压与过流的定义及危害

1. 过压（Over Voltage）

指电路所承受的电压超过器件额定最大值。例如：

• 12V 线路瞬间被提升到 20V

• USB 5V 被提升到 9V

• 低压逻辑 3.3V 系统被灌入 6V

危害：

• MOSFET 栅极击穿

• MCU IO 损坏

• 电容击穿（特别是钽电容）

• 通信接口失效

• 器件过热、冒烟、熔断

2. 过流（Over Current）

指电路中流过的电流超过器件可承受的最大电流。例如短路、负载过重。

危害：

• 走线烧毁

• 保险丝熔断

• 元件过热造成失效

• 电源掉压导致系统重启

为了让设备更可靠、寿命更长，必须正确地设计过压和过流保护。

二、过压产生原因与保护原理

常见过压原因包括：

1. 电源适配器异常（输出飙升）

2. 电源插拔瞬态（尤其是汽车 12V）

3. 电感负载的反向电压

4. 雷击、电磁脉冲（ESD/Surge）

5. DC-DC 控制失效

过压保护的基础原理

• 箝位电压（Clamping）：把电压钳住不让超过某个值

• 吸收浪涌（Surge Absorption）

• 切断电路（Shutdown）

• 短路转移（Crowbar）

三、过流产生原因与保护原理

常见过流原因

1. 输出短路

2. 加载过重

3. MOSFET 或芯片内部短路

4. 电源启动电流过大

5. 电池正反接

过流保护的方法包括：

• 限流（Constant Current Limit）

• 断流（Over Current Shutdown）

• 延时限流（Soft-start + OCP）

• 电子保险丝 eFuse 自动重试

四、过压保护电路设计方法

4.1 TVS 二极管（瞬态抑制二极管）——最常用方案

• **适合：**浪涌、ESD、雷击

• **特点：**反应快（皮秒级）、适合大电流冲击

选型：

• 工作电压：≥额定电压 × 1.1

• Clamping 电压：小于系统最高承受值

• 功率：依据浪涌测试等级（IEC 61000-4-5）

4.2 齐纳二极管钳位

适合：

• 低功率电路

• 信号线保护

• MCU IO 保护

缺点：功率小、只能管小电流。

4.3 MOV 压敏电阻

适合：

• 220V AC

• 工业电源浪涌

特点：吸能能力强，但响应比 TVS 慢。

4.4 利用 DC-DC 芯片自带 OVP

大部分电源芯片都包含：

• Over Voltage Protection

• Under Voltage Lockout

• Power-good 检测

**优势：**无需额外器件，但注意响应速度。

4.5 Crowbar 闩锁式过压保护（强力保护）

适用：

• 高价值系统

• 电源必须绝对不可过压的场合（例如 FPGA、DDR）

经典电路：

• 检测电压过高 → 触发 SCR 导通 → 电源被强制短路 → 前级保险丝熔断

其特点：

• “宁可断电，也不能让设备过压”。

五、过流保护电路设计方法

5.1 简单限流电阻

优点：简单
缺点：功耗大、不精确

用于低功率保护较合适。

5.2 Polyfuse 自恢复保险丝

特点：

• 过流自动加热升阻断流

• 冷却后自动恢复

• 成本低、使用方便

缺点：

• 反应速度慢

• 阻值随温度漂移

5.3 MOSFET 电子保险丝（eFuse）——高端方案

核心原理：

• 采样电阻 + 运放 + MOSFET

• 限流、断流、自动重启都可以实现

优势：

• 反应快

• 保护精准

• 功耗低

广泛用于：

• 服务器电源

• 工业电源

• USB PD

5.4 霍尔电流传感器

适合：高电流（几安到百安）
不用串联电阻，无损测量

5.5 利用 DC-DC 的 OCP/SCP 功能

绝大多数开关电源都内置：

• OCP（Over Current Protection）

• SCP（Short Circuit Protection）

需注意：

• 某些开关电源 OCP 是延时触发，瞬时短路仍可能伤害前级。

六、过压/过流保护关键参数选择

1. 钳位电压要低于系统耐压

例如 5V 系统：

• TVS 工作电压：> 5V

• 钳位电压：< 6.5V（MCU 最大耐压）

2. 保险丝额定电流选择

一般为 1.25× 最大工作电流。

3. MOSFET 选择

• Rds(on) 小

• Id 额定值 ≥ 最大电流 × 1.5

• Vgs 额定值需足够高（避免栅极击穿）

4. 采样电阻功率计算

P = I² × R
至少留 2×以上裕量。

七、PCB 布局要点

1. TVS 二极管需尽量靠近输入端

2. 浪涌电流回流路径要最短

3. 大电流走线要加宽

4. Ground 回路避免串扰

5. eFuse 或 MOSFET 需要良好散热铜皮

6. 测量电阻（sense R）必须 Kelvin 连接

八、常见应用场景解决方案

1. USB 5V 设备

• TVS + Polyfuse + MOSFET 开启保护

• 符合 USB 过流保护规范

2. 工控 24V 系统

• MOV + TVS + eFuse

• 抗浪涌能力必须超过 ±1kV

3. 汽车 12V/24V 系统

• TVS（汽车等级 SMBJ、SMC）

• 反接保护

• Load Dump 防护（最高到 70V）

4. FPGA、DDR 高价值系统

• Crowbar + 快速 fuse

• 绝对不允许过压

九、总结：构建一个“不怕坏”的电源系统

一套优秀的保护电路设计应满足：

• 过压能钳住

• 过流能断开

• 浪涌能吸收

• 短路能保护

• 误接电源不会烧毁

• PCB 可靠、散热良好

随着电子产品趋向高密度、高速、低功耗，保护电路的设计也越来越重要。合适的过压、过流保护策略不仅能提升产品可靠性，也能降低售后成本、提升品牌口碑。