硬件设计中的5种关键保护电路

电子设计联盟
2025-07-19 08:00:00

电子设备在复杂环境中易受多种因素威胁，保护电路对保障其正常运行至关重要。以下是几种常见保护电路及其核心要点。

短路保护：及时断开，保障安全

短路时电流剧增，保险丝是最常见的短路保护元件。电流超过熔断电流时，保险丝熔断断开电路。但保险丝熔断后需手动更换，不便之处催生出自恢复保险丝。

它由聚合树脂和导电粒子组成，正常时低阻，短路或过载时聚合树脂融化，阻抗升高限制电流，待故障排除后又能恢复低阻状态，兼具过热过流保护功能。自恢复保险丝在消费电子、工业控制、汽车电子等多个领域广泛应用，有效提升了设备的可靠性和维护便利性。

过压保护：精准钳位，稳定运行

过压保护旨在供电电压超额定时自动切断回路。齐纳二极管是常用元件，如 1N4099，输入超 6.8V 时输出钳位在 6.8V 左右，防止后级电路过压受损。在精密仪器和通信设备中，过压保护电路能够有效防止因电压波动导致的器件损坏，确保设备的正常运行和数据的准确性。

防反接保护：巧妙设计，避免极性错误

电源正负极反接是常见误操作，许多电子元器件对电源的极性有着严格的要求。防反接电路一种方式是在电源输入前级整流，确保后级电路电压极性固定（如图1）；

另一种是利用 MOS 管寄生二极管，在电源反接时自动关断，MOS 管寄生二极管压降小，正常使用时能承受更大电流。在户外设备和便携式电子设备中，防反接保护电路能够有效防止因用户误操作导致的设备损坏，提高设备的可靠性和易用性（如图2）。

图1

图2

雷击浪涌保护：抵御自然威胁，守护设备

雷击会产生浪涌电压和电流，威胁电子设备。常用放电管、压敏电阻、TVS 等器件，电压超阈值时电阻迅速减小，泄放过量电能。共模电感则利用电感特性抑制浪涌，只允许同相相反振幅电压通过，浪涌被抑制，常用于其他器件后级。

在雷电多发地区，雷击浪涌保护电路对于通信基站、电力设备等基础设施的正常运行至关重要，能够有效减少雷击导致的设备停机时间和维修成本。

静电防护：细致入微，守护免受静电侵害

人体静电易在接触电子设备时放电，损害设备。可借鉴雷击浪涌防护方案，常用 TVS 二极管等器件快速钳位泄放静电能量，还有专门静电防护集成电路，集成多种功能，提供更全面高效防护。

在半导体制造、电子设备生产流水线以及数据中心等对静电敏感的环境中，静电防护电路是保障生产过程稳定和数据安全的关键措施。

这些保护电路各司其职，相互协作，构成了电子设备防护体系。随着技术发展，保护电路不断创新完善，为电子设备稳定运行提供可靠保障。合理选择和设计保护电路，能有效提高电子设备的可靠性和安全性，减少因外界因素导致的设备损坏和故障，延长设备使用寿命，确保其在各种复杂环境中都能正常工作。

在电子设备的设计过程中，设计人员需要综合考虑各种保护电路的特点和优势，进行合理的选择和组合。不同应用场景对保护电路的需求各有侧重，例如户外设备注重雷击浪涌和静电防护，而室内精密仪器则更强调过压和防反接保护。通过精准设计和优化，保护电路能够在不影响设备正常功能的前提下，最大限度地降低故障风险，提升设备的整体性能和用户体验。

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