文章目录前言一、为什么不能直接用TVS二、什么是比较器三、什么是继电器四、什么MOSFET五、比较器电路设计六、整体电路设计七、为什么不使用MOS管电路代替继电器总结更新2026年9月15日瑕疵点解决方法前言最近在设计一款高精度电压测量装置测量范围为0~80V精度达到mV级别。为了测试装置的安全运行就必须设计一组过压保护电路当测量电压超过80V时自动关闭测量接口从而保护电路元器件。首先我就去找成熟的电压限制芯片大部分芯片都到不了80V的过压保护个别可以有但这些都有一个低压限制的问题。比如说低于1.5V电压限制芯片也会保护但我的需求是低压限制基本在0V市面上满足这些条件的芯片几乎没有。于是就自行设计多次尝试后终于有了一套可行的、经济的方案。一、为什么不能直接用TVS相信做过硬件电路设计的同学对TVS并不陌生这是瞬态电压抑制二极管主要作用是抑制瞬态过电压保护敏感元件免受电压尖峰的损害。它的保护原理是当电路中出现瞬态高电压时TVS 会迅速击穿将电压钳位在一个安全水平。看功能非常符合我们的电路设计要求。但TVS有以下缺点1.单次能量处理能力不足。当电路中出现持续时间较长导通电压时会导致器件损坏。TVS 的过压承受时间通常在微秒至毫秒级。2.耐受能力差。频繁的过压会导致 TVS 性能衰减从而无法达到长时间稳定保护。有的同学可能会想到再搭配保险丝这样过压时的高电流会熔断保险丝从而形成有效保护但还是有以下缺点。很有可能还未到保险丝熔断时间TVS就首先损坏了。如果用快速熔断的保险丝那么每次过压也需要更换保险丝也是麻烦。如果使用自恢复保险它在过流下会不断尝试接通这样也就形成频繁的TVS导通也会损坏TVS。所以稳定的能持久工作的过压保护电路设计还是非常需要的。二、什么是比较器比较器Comparator是一种电子电路或算法组件主要用于比较两个输入信号的大小关系并输出相应的逻辑电平。它在数字电路、信号处理和控制系统中有广泛应用。如图基本工作原理Vcc和Vss是比较器的高位电压和低位电压也就是一般情况下Vout输出高电平是Vcc低电平是Vss。比较器通过比较两个输入电压V和V-的大小来工作当V V-时输出高电平逻辑1也就是Vout Vcc当V V-时输出低电平逻辑0也就是Vout Vss比较器不同于普通运放不满足虚短条件V V-因工作在开环饱和状态无负反馈强制两输入端电位相等。但满足虚断条件I I- 0虚断的成立基于运放输入阻抗极高与是否存在反馈或工作状态无关。即使在开环状态下比较器两输入端的电流仍趋近于零这是所有运放的阻抗特性。同学们此时会有一个想法可以将V始终接入80V如果V- 80那么Vout输出低电平关闭后续的MOS管如果V- 80那么Vout输出高电平开启后续的MOS管从而实现过压保护。这是确实是主旨思路但实际运用存在很多问题下面会慢慢介绍。三、什么是继电器继电器是一种通过电信号控制电路通断的自动开关装置广泛应用于电力系统、电子设备、自动化控制等领域。它能以小电流、低电压的控制信号来操控大电流、高电压的主电路起到 “自动开关”“信号放大”“安全隔离” 等作用。如图当线圈通入电流时也就是Vde满足导通电压电磁铁产生磁场吸引衔铁带动触点动作从而使B、C闭合。当Vde电压为0线圈无通入电流衔铁会在弹簧的作用下弹起从而使A、B闭合。继电器分为以下三种常开NO一个触电线圈断电时断开通电时闭合常闭NC一个触电线圈断电时闭合通电时断开转换CO两个触电包含一组常开和一组常闭触点。也就是图片那种。四、什么MOSFET对它的主要功能可以去看模电类书籍这里形象的介绍一下它的作用。就以绝缘栅N沟道增强型为例这也是最常用的型号。可以认为当g、s之间的电压大于导通电压时d、s之间导通当g、s之间的电压小于导通电压时d、s之间截止。如图iD表示d、s之间的电流表明d、s之间的导通通道状况。可以先简单看成一个信号控制开关用gs之间电压来导通ds。五、比较器电路设计首先看这张图片为什么不能将V始终接入80V判断V- 与 V的关系呢。这是因为我们输入的电压都是有波动的如果V-在80V左右或者说V不稳定那么就会导致Vout不断地高低电平切换这是我们不想看到的不仅会对比较器性能产生影响而且这浪涌电压也会对后续电路产生损坏。于是采用了如图反馈连接Vin是输入电压也是要判断的电压Vref为基准电压。当Vin Vinh是Vout GND当Vin Vinl是Vout VCC。而Vinh - Vinl就是间隙电压这样的话即使测量的电压在阈值周围波动只要波动不超过间隙电压就不会导致Vout输出产生变化。基础的公式如下图经过推导得出上图的3个公式再按照我说的方法确定各电阻阻值。另外很少比较器能支持输入引脚承受80V电压所以也必须采用电阻分压其中要注意的是Vref作为基准电压一定要足够稳定与精确尽量保证极小电流通过Vref所以建议R1大于等于10K同理R4也选择10KVin也保证极小电流通过否则影响测量精度R4也大于等于10K。所用的器件后面会给出。图中设计的是过压Vout输出低电位正常Vout输出高电位。下图是比较器正负的连接对调就能实现输出对调按需求选择。六、整体电路设计其中REF3025是一款高精度、低功耗、低压差2.5V电压基准产品具有出色的温度漂移和初始精度静态电流仅为 42 微安典型值。其低功耗和相对较高的精度使其在诸如压力和温度变送器等由回路供电的工业应用中极具吸引力。由于无需外接负载电容即可保持稳定。REF30xx 的工作温度范围为 -40°C 至 125°C。在零负载条件下其工作电源电压与输出电压的差值小于 1 毫伏。注意输出功耗有限为了保证精准尽量使2.5V_B输出电流极小。比较器选用的是TLV1805 高电压比较器集独特的宽电源范围、推挽输出、轨至轨输入、低静态电流、关断功能和快速输出响应组合特性于一体。所有这些特性使该比较器非常适合需要在正电压轨或负电压轨上进行检测的应用。其中5号引脚是关机引脚接高电平不使用。继电器选用G6S-2F-TR是一款双触电转换继电器当1、12号引脚无电流4、9和3、10相接当1、12号引脚有电流4、9和5、8相接。按照自己的继电器计算电磁铁导通电流本款继电器在5V下刚好满足额定导通电流无需外加电阻限流。IN4148是一款开关二极管大家知道电磁铁相当于电感当继电器5V电源关断时电磁铁会阻碍电流消失那么贮存的磁能就会转化为电能形成同方向感应电流如果没有IN4148此时电磁铁是断路那么电阻也就无穷大那么理论上感应电流会产生无穷大的感应电势从而损坏器件。当加入了IN4148会形成一个同感应电流同方向的导通电路从而电磁铁相当于接入了回路此时电阻也就不大感应电势也就不大电流在回路中不断消耗从而达到保护器件的作用。2N7002是一款绝缘栅N沟道增强型MOS管当比较器TLV1805输出高电平GS会有5V电压从而使DS导通电磁铁上的电路形成回路产生电流继电器导通当比较器TLV1805输出低电平GS没有压差从而DS截至电磁铁上的电路形成断路无电流继电器截止。比较器的带载能力很差想要保持Vout的稳定是几乎不能有电流经过Vout端虽然该比较器说明了有100mA的带载能力但这是牺牲Vout与稳定值巨大压差带来的而本文设计是需要Vout作为反馈引入输入端按前文公式可知VCC电压会影响Vinl不影响Vinh所以采用了2N7002一个MOS管来隔离电路这样不管关闭还是导通都不会有电流流过Vout端。在Vout输出高电平时因为要驱动LED灯大概会有3mA的电流流出Vout端此时产生的压降不超过100mV设计的间隙电压为2.08V完全足够所以没有问题。2920L020是自恢复保险丝用来防止意外短接SMDJ85A是TVS用来防止浪涌电压。所有的器件都介绍完了图中电阻形成的保护电压在图中标注好了大家可以按公式验证一下。正常情况下INV1_test接入test1_V接入通路中没有任何电阻不会产生压降保证精度过压下INV1_test接入GND将INV1_test接入后续的电路从而实现了过压保护。七、为什么不使用MOS管电路代替继电器对于有经验的同学可以看看这个问题。如果使用MOS管电路代替继电器那么继电器的部分应该换成下图部分。使用MOS管电路能使用更少的体积也是市面常用方法。先看看电路如何工作。A端接入待保护电压正极也就是test1_VB端接入比较器输出端也就是Vout端。当Vout输出5V高电平Q2导通A端通过稳压管DZ1、R9//R10与地形成回路。此时稳压管DZ1强制稳压Q1的SG电压为15VQ1导通A端接入VCC_OUT2相当于INV1_test接入test1_V。当Vout输出0V低电平Q2截至A端与地不形成回路。也就没有电流从而Q1的SG电压为0VQ1截至A端与VCC_OUT2断开VCC_OUT2悬空。注意Q1是绝缘栅P沟道增强型MOS管它的工作图如下图。使用稳压管DZ1是因为Q1的SG之间电压不大于20V一般MOS管都是这个阈值当SG之间电压超过15V稳压管DZ1能将SG之间电压钳位到15V不至于损坏MOS管一般导通电压也就可能0.8V左右选择15V是为了完全形成导通通道降低Q1的S、D之间的压降。R7不需要可以省略R5是为了Q1关断时提供一个结电容电压释放通道选择100K也是为了不影响稳压管DZ1的等效电阻。对于电阻R9与R10的阻值选择很关键需要满足导通下DZ1和Q2的导通电流不超过阈值且尽量使DZ1稳压电流在额定范围内R9与R10的功率也不能小毕竟是有大电流流过。通过上面简介可以看出使用MOS管电路更加复杂俗话说越简单的设计越可靠。除此之外MOS管电路还有以下弊端。1.被测电压test1_V需要有一定的带载能力通过上述介绍正常工作时test1_V通过稳压管DZ1、R9//R10与地形成回路是会产生电流。一但test1_V的带载功耗较低不能满足这部分电流消耗会致使test1_V的电压下降从而达到一个新的平衡这样测量精度就会降低。大部分电压计是要尽量减小测量电压的功率消耗的也就是输入电阻尽量大。对比继电器设计导通时INV1_test与test1_V之间是导线不会产生功耗截止时NV1_test与test1_V断路电阻相当无穷大。2.MOS管具有最小的导通电压每个MOS管都有一个Ugs(th)这是最小的导通电压这个电压下导通沟道才刚刚形成此时导通电阻也会很大一般这个电压在0.7V左右。这就导致了如果被测电压低于0.7V就无法工作也就是低压空白区市面上很多芯片有低压限制也大都是因为这个原因。总结时间有限有所错字还望包涵。如果大家有什么更好的高压保护电路设计还请不吝赐教。更新2026年9月15日经过后期发现以上的电路图有一个错误。首先我对比较器进行同相反馈和反相反馈是为了形成迟滞电压比较器在上文设计中同相反馈的设计和计算公式是没有问题的第五节的第一张图但是反相反馈的设计我想当然了他是不对的准确说有瑕疵的第五节的第三张图和第六节的电路图瑕疵点在该电路图的设计中随着输入电压Vin升高到同相电压大于反相电压此时比较器输出电压从0V跳变到5V该跳变会抬升反相电压那么同相电压就开始小于反相电压比较器输出电压又从5V跳变到0V该跳变又会降低反相电压同相电压就又大于反相电压如此反复以上造成的结果是在迟滞电压区间比较器输出电压在0V和5V之间不断的跳变类似一个PWM信号输出频率取决于该比较器性能以本文使用的比较器TLV1805这个PWM频率大约有几MHZ实验中示波器观察得到。宏观体现在迟滞电压区间比较器输出电压随着输入电压增大线性增大当输入电压高于上行阈值时比较器输出电压才到5V。解决方法最简单的就是使用同相反馈的设计如果想要高压下比较器输出高电平那就给比较器输出端接入反相器就能得到本文电路设计的2N7002就有该功能。如果是在想用反相反馈的设计可以采用下图设计如果之前的错误给大家带来了不便之处这里深感抱歉