反向电压

　　只要对二极管施加反向的电压就叫反向电压。一般反向电压没有数值定义。无论电压多大，只要是反向的，就是反向电压。

　　抽油机控制器反向电压释放器故障现象

　　新 疆 油 田 使 用 ECHO5302、ECHO5303 和ECHO5318 等 3 种抽油机控制器（RPC），在油田大规模停 电 ， 抽 油 机 设 备 来 电 启 停 过 程 中 ，ECHO5303、ECHO5318 经常出现设备死机、参数错误、通信故障和抽油机无法启动等现象，ECHO5302 此类现象较少。

　　原因分析

　　分析 3 种抽油机控制器电路，ECHO5302 控制抽油机启停电路是在控制输出和交流接触器之间加中间继电器的控制方法，中间继电器加有泄流二极管，用于断电时泄放交流继电器线圈中储存的能量，避免产生高压脉冲；ECHO5303、ECHO5318 控制抽油机启停电路是在控制输出和交流接触器之间加光电隔离固态继电器（SSR）隔离输出。交流接触器等感性负载在通断电时，会在其两端产生反向电压，特别是在其断电时线圈内的能量无法释放，产生的反向电压会很大。该电压能量不大，持续时间很短，但幅度很高，因此会产生很强干扰，通过线路或辐射影响控制器工作。固态继电器在驱动感性和容性负载时输出电路容易受反向电压和浪涌电流的影响，稳定性差、灵敏度高，易产生误动作。解决 ECHO5303、ECHO5318 易受干扰的问题，采用压敏电阻设计过压保护电路的解决方案。

　　反向电压释放器设计

　　压敏电阻选择

　　耐压值=线圈额定电压有效值×1.41（有效值转换为峰值的转换系数）×1.2（考虑 20%电源波动的余量系数）×1.2（压敏值的余量系数）。交流接触器线圈为 220 V 时，压敏电阻约为 470V。压敏电阻选择过小，灵敏度高、易损坏，过大则失去保护作用。首先确定抽油机控制器控制电路在线圈工作电压为 AC220 V，在工作范围内选择不同阈值的压敏电阻进行高电压测试（表 1）。根据表 1 中工作电压及动作时间选定 CNRJ10D471K型压敏电阻，在工作电压内保持高阻抗状态，从安全性上确保工作人员不会因电阻爆裂被炸伤，在电压升至电阻耐压值时导通泄压至接地端。

　　电路设计

　　将压敏电阻分别接入电路启动停止线路，与接地端跨接（图 1）。同时可以兼顾启停电路火线、零线中电压变化，安全可靠，保证压敏电阻在反向电压过高时导通接地端进行分压。控制器触点输出、中间继电器和 J2 组成控制回路，控制设备切断和运行；压敏电阻和控制器接地在控制回路中组成保护电路，泄放中间继电器、J2 中的反向电压，排除对控制器的干扰。

　　实施应用

　　购 置 选 型CNR J10D471K 型压敏电阻，根据线路、模块设计进行制作。在设备输出端子上通过引脚安装，进行测试，在 高 电 压 500 V时，可以通过压敏电阻泄压，符合设计要求。在石西油田、莫北油田现场 200 台 ECHO5303 进行安装，经过 1 年使用，安装的反向电压保护装置未发生控制器死机、启停故障等现象。当两端的电压等于或超出压敏电阻的敏感电压时，高脉冲被旁路至控制器接地端，高电压过去后，压敏电阻阻值又恢复到无穷大，从而保护后级电路不被高电压或高脉冲击坏。反向电压释放器电路简单，制作方便，可接入控制器输出的启动、停止控制回路中，可大规模对所有控制器进行安装、推广使用。1

　　一种CMOS功率开关反向电压保护电路

　　CMOS 电路具有成本低、功耗低、速度快等优点。各种接口电路，如 USB ， IEEE　1394 ， RS422/485等，均可采用CMOS工艺实现 。接口电路通常采用 CMOS功率开关作输出缓冲电路。在实际应用环境中，接口电路经常受到反向电压的冲击，因此，必须设计相应的反向电压保护电路。当接口电路遭受反向电压冲击时，接口电路端口电压高于电源电压，此时，保护电路将 CMOS功率开关与端口冲击电压隔离，从而保证接口电路的安全。提出一种简洁有效的保护电路。该电路可自动选择 CMOS 功率开关的衬底和栅极偏置电压，从而抑制反向电流，保障器件安全。这种保护电路没有与CMOS功率开关串联，因此电路的输出驱动能力和功耗效率不受影响。该电路应用于一款接口电路芯片，采用0.6 μ m 标准CMOS数字工艺设计，制作的电路实现了+12V 反向电压保护，获得了良好的效果。

　　典型过压保护电路

　　普通CMOS接口电路输出级如图1所示。图中， 和 为 CMOS开关管漏极 － 衬底之间的寄

　　 生二极管。正常工作时， D1和 D2均处于反向截止状态。但在实际电子系统中，经常存在部分元器件掉电、其他元器件正常供电的情况。此时， 为 0，而 通过电子系统其他器件可以获得一个正电压。在此情况下，器件输出端遭受反向电压，即输出端电压高于电源端电压， 将正向导通，并会流过较大电流，影响器件安全。

　　为了解决反向电压问题，通常采用二极管进行保护 ，如图 2 所示。但是，二极管的存在导致器件输出摆幅下降，影响了器件输出驱动能力。同时，二极管的引入也增大了输出导通电阻，影响输出级的瞬态特性。采用 MOS管替代二极管，但为了降低 MOS管导通电阻，采用较大宽长比的MOS管，因此占用了较大的版图面积，影响了芯片的性价比。

　　为了解决输出摆幅问题，提出一种 N阱浮置结构，其原理如图 3 所示。该结构采用 N 阱浮置电路为输出级PMOS管的衬底提供合理偏置，抑制寄生二极管的导通。当 为0，输出端 通过外界获得某正电压偏置时， M3导通，外界电压通过 M3到达 M2的栅极。由于栅极、漏极电位相等，M2关断。此时， M1的栅极为0 ，所以 M1关断，隔离了外界电压对器件内部的影响。但是，当电路正常工作、V in 输入高电平时， M1 的栅极、源极电位均为电源电压， M1处于关断状态，此时 M1导通电阻极大，严重影响电路的时间特性。

　　反向电压保护电路工作原理

　　反向电压保护电路由衬底电压保护电路和栅极电压保护电路组成，其基本原理如图 4所示。

　　MP1和 MN1组成器件输出级， 端为输出端。 MP2和 MP3组成衬底电压保护电路，该单元为正反馈结构。对输出端口电压 和器件电源端电压 进行比较，选择相对较高的电压为 MP1的衬底电位。此外，正反馈电路响应速度快，能够及时为 MP1～MP3 ， MP6提供合理的衬底电位，保证电路具有良好的抗闩锁能力。图4中， MN2～MN4和 MP4～MP7构成栅极电压保护电路。当电源电压为0时，如果 为某个正电压，那么 MP4 / MN2为反相器结构，其输出为高电平， MP6 关断； MN3 导通使MN4 的栅极电位为0 ，从而关断 MN4， MP7导通。 MP7导通使其源漏电压相等， MP1的栅极电位与衬底电位相等，均为 ，将 MP1完全关断，保障了器件的安全。当器件电源电压 正常时，如果器件遭受反向电压冲击，使 高于 ，则 MP1衬底电位选择为 ；合理调节 MN2和 MP4的宽长比，可以使MN2 / MP4的输出电压与 跟随，关断开关对管MN4和 MP6 ， MP7导通，将 MP1的栅极电位与衬底电位均设置为 ，从而关断 MP1 ，实现输出端反向电压保护。

　　当器件正常工作时，电源电压 V dd 正常， 为0～ 之间的某个电压，此时衬底电压保护电路将选择电源电压 为 MP1衬底电位； MP4 / MN2反相器输出为低电平， MP6 导通； MP5 / MN3 反相器输出为高电平， MN4导通， MP7关断。输入信号 经过开关对管 MN4 / MP6 到达 MP1 栅极电位，实现了电路的正常功能。由于开关对管的导通电阻远小于 PMOS 开关管。此外，电路正常工作时，反相器 MP4 / MN2 ， MP5 / MN3 均处于关断状态，不会增加电路的静态功耗。

　　电路验证及试验结果

　　该反向电压保护电路用于某接口电路，采用0．6μ m 标准 CMOS 工艺设计流片。在 Cadence 环境下，分别对电源掉电和电源电压正常时器件的工作状态进行仿真。图5 （ a ）所示为 =0时 MP1的栅极电位（ ）、衬底电位（ ）与输出端电压（ ）的跟随曲线。可以看出，和 能够理想地跟随 电压，保证了输出CMOS功率开关的器件安全。图5（b ）所示为电源电压正常时（ =3．3V ）的输入（ ）、输出（ ）瞬态波形。

　　输出高电平与电源电压相等，说明本文所设计的反向电压保护电路不会影响器件输出幅度；输入输出信号之间跟随良好，说明电路具有良好的瞬态响应特性。该保护电路共有 9 个 MOS 管，电路结构简单，占用版图面积较小。采用 0．6 μ m 标准 CMOS 工艺设计规范进行版图设计，如图 6 所示。

　　对流片得到的芯片进行测试，器件电源电压=0时，输出端加0～12V 电压，测试输出端灌入器件端口的电流，结果均小于 1 μ A 。测试结果表明，本文提出的保护电路在 CMOS 功率开关承受最大12V 反向电压时能够提供良好保护。

　　结论

　　提出了一种反向电压保护电路。该电路为CMOS功率开关提供了合理的栅极、衬底偏置电位，电路结构简单，版图面积小，不影响电路输出驱动能力和电路静态功耗，适用于各种接口电路，可实现反向电压保护功能。该电路采用0．6 μm 标准CMOS 工艺流片，实现了 +12V 反向电压保护，获得了良好的反向电压保护效果。2

　　本词条内容贡献者为:

　　张磊 - 副教授 - 西南大学