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反向電壓
對二極管施加反向的電壓
只要對二極管施加反向的電壓就叫反向電壓。一般反向電壓沒(méi)有數值定義。無(wú)論電壓多大，只要是反向的，就是反向電壓。
基本信息
| 中文名 | 反向電壓 |
| 外文名 | inverse voltage |
| 拼音 | fǎn xiàng diàn yā |
| 定義 | 只要對二極管施加反向的電壓就叫反向電壓。 |
| 所屬領(lǐng)域 | 電力術(shù)語(yǔ) |
抽油機控制器
原因分析
分析3種抽油機控制器電路，ECHO5302控制抽油機啟停電路是在控制輸出和交流接觸器之間加中間繼電器的控制方法，中間繼電器加有泄流二極管，用于斷電時(shí)泄放交流繼電器線(xiàn)圈中儲存的能量，避免產(chǎn)生高壓脈沖；ECHO5303、ECHO5318控制抽油機啟停電路是在控制輸出和交流接觸器之間加光電隔離固態(tài)繼電器（SSR）隔離輸出。交流接觸器等感性負載在通斷電時(shí)，會(huì )在其兩端產(chǎn)生反向電壓，特別是在其斷電時(shí)線(xiàn)圈內的能量無(wú)法釋放，產(chǎn)生的反向電壓會(huì )很大。該電壓能量不大，持續時(shí)間很短，但幅度很高，因此會(huì )產(chǎn)生很強干擾，通過(guò)線(xiàn)路或輻射影響控制器工作。固態(tài)繼電器在驅動(dòng)感性和容性負載時(shí)輸出電路容易受反向電壓和浪涌電流的影響，穩定性差、靈敏度高，易產(chǎn)生誤動(dòng)作。解決ECHO5303、ECHO5318易受干擾的問(wèn)題，采用壓敏電阻設計過(guò)壓保護電路的解決方案。
反向設計
壓敏電阻選擇
表1
將壓敏電阻分別接入電路啟動(dòng)停止線(xiàn)路，與接地端跨接（圖1）。同時(shí)可以兼顧啟停電路火線(xiàn)、零線(xiàn)中電壓變化，安全可靠，保證壓敏電阻在反向電壓過(guò)高時(shí)導通接地端進(jìn)行分壓。控制器觸點(diǎn)輸出、中間繼電器和J2組成控制回路，控制設備切斷和運行；壓敏電阻和控制器接地在控制回路中組成保護電路，泄放中間繼電器、J2中的反向電壓，排除對控制器的干擾。
圖1
實(shí)施應用
購置選型CNRJ10D471K型壓敏電阻，根據線(xiàn)路、模塊設計進(jìn)行制作。在設備輸出端子上通過(guò)引腳安裝，進(jìn)行測試，在高電壓500V時(shí)，可以通過(guò)壓敏電阻泄壓，符合設計要求。在石西油田、莫北油田現場(chǎng)200臺ECHO5303進(jìn)行安裝，經(jīng)過(guò)1年使用，安裝的反向電壓保護裝置未發(fā)生控制器死機、啟停故障等現象。當兩端的電壓等于或超出壓敏電阻的敏感電壓時(shí)，高脈沖被旁路至控制器接地端，高電壓過(guò)去后，壓敏電阻阻值又恢復到無(wú)窮大，從而保護后級電路不被高電壓或高脈沖擊壞。反向電壓釋放器電路簡(jiǎn)單，制作方便，可接入控制器輸出的啟動(dòng)、停止控制回路中，可大規模對所有控制器進(jìn)行安裝、推廣使用。
保護電路
CMOS電路具有成本低、功耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。各種接口電路，如USB，IEEE 1394，RS422/485等，均可采用CMOS工藝實(shí)現。接口電路通常采用CMOS功率開(kāi)關(guān)作輸出緩沖電路。在實(shí)際應用環(huán)境中，接口電路經(jīng)常受到反向電壓的沖擊，因此，必須設計相應的反向電壓保護電路。當接口電路遭受反向電壓沖擊時(shí)，接口電路端口電壓高于電源電壓，此時(shí)，保護電路將CMOS功率開(kāi)關(guān)與端口沖擊電壓隔離，從而保證接口電路的安全。提出一種簡(jiǎn)潔有效的保護電路。該電路可自動(dòng)選擇CMOS功率開(kāi)關(guān)的襯底和柵極偏置電壓，從而抑制反向電流，保障器件安全。這種保護電路沒(méi)有與CMOS功率開(kāi)關(guān)串聯(lián)，因此電路的輸出驅動(dòng)能力和功耗效率不受影響。該電路應用于一款接口電路芯片，采用0.6μm標準CMOS數字工藝設計，制作的電路實(shí)現了
反向電壓保護，獲得了良好的效果。
過(guò)壓保護電路
圖1
圖2
圖3
工作原理
反向電壓保護電路由襯底電壓保護電路和柵極電壓保護電路組成，其基本原理如圖4所示。
圖4
當器件正常工作時(shí)，電源電壓正常，為
之間的某個(gè)電壓，此時(shí)襯底電壓保護電路將選擇電源電壓為MP1襯底電位；MP4/MN2反相器輸出為低電平，MP6導通；MP5/MN3反相器輸出為高電平，MN4導通，MP7關(guān)斷。輸入信號經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)對管MN4/MP6到達MP1柵極電位，實(shí)現了電路的正常功能。由于開(kāi)關(guān)對管的導通電阻遠小于PMOS開(kāi)關(guān)管。此外，電路正常工作時(shí)，反相器MP4/MN2，MP5/MN3均處于關(guān)斷狀態(tài)，不會(huì )增加電路的靜態(tài)功耗。
試驗結果
該反向電壓保護電路用于某接口電路，采用0.6μm標準CMOS工藝設計流片。在Cadence環(huán)境下，分別對電源掉電和電源電壓正常時(shí)器件的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真。圖5（a）所示為
時(shí)MP1的柵極電位(
)、襯底電位(
)與輸出端電壓()的跟隨曲線(xiàn)。可以看出，和能夠理想地跟隨電壓，保證了輸出CMOS功率開(kāi)關(guān)的器件安全。圖5（b）所示為電源電壓正常時(shí)(
)的輸入() 、輸出()瞬態(tài)波形。
圖5a
圖5b
輸出高電平與電源電壓相等，說(shuō)明本文所設計的反向電壓保護電路不會(huì )影響器件輸出幅度；輸入輸出信號之間跟隨良好，說(shuō)明電路具有良好的瞬態(tài)響應特性。該保護電路共有9個(gè)MOS管，電路結構簡(jiǎn)單，占用版圖面積較小。采用0．6μm標準CMOS工藝設計規范進(jìn)行版圖設計，如圖6所示。
反向電壓
對流片得到的芯片進(jìn)行測試，器件電源電壓時(shí)，輸出端加0～12V電壓，測試輸出端灌入器件端口的電流，結果均小于1μA。測試結果表明，本文提出的保護電路在CMOS功率開(kāi)關(guān)承受最大12V反向電壓時(shí)能夠提供良好保護。
結論概述
提出了一種反向電壓保護電路。該電路為CMOS功率開(kāi)關(guān)提供了合理的柵極、襯底偏置電位，電路結構簡(jiǎn)單，版圖面積小，不影響電路輸出驅動(dòng)能力和電路靜態(tài)功耗，適用于各種接口電路，可實(shí)現反向電壓保護功能。該電路采用0．6μm標準CMOS工藝流片，實(shí)現了反向電壓保護，獲得了良好的反向電壓保護效果。
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