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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。一般反向電壓沒有數(shù)值定義。無論電壓多大，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。 |
| 所屬領域 | 電力術語 |
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，用于斷電時泄放交流繼電器線圈中儲存的能量，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，會在其兩端產(chǎn)生反向電壓，特別是在其斷電時線圈內(nèi)的能量無法釋放，產(chǎn)生的反向電壓會很大。該電壓能量不大，持續(xù)時間很短，但幅度很高，因此會產(chǎn)生很強干擾，通過線路或輻射影響控制器工作。固態(tài)繼電器在驅(qū)動感性和容性負載時輸出電路容易受反向電壓和浪涌電流的影響，穩(wěn)定性差、靈敏度高，易產(chǎn)生誤動作。解決ECHO5303、ECHO5318易受干擾的問題，采用壓敏電阻設計過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停止線路，與接地端跨接（圖1）。同時可以兼顧啟停電路火線、零線中電壓變化，安全可靠，保證壓敏電阻在反向電壓過高時導通接地端進行分壓?？刂破饔|點輸出、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
實施應用
購置選型CNRJ10D471K型壓敏電阻，根據(jù)線路、模塊設計進行制作。在設備輸出端子上通過引腳安裝，進行測試，在高電壓500V時，可以通過壓敏電阻泄壓，符合設計要求。在石西油田、莫北油田現(xiàn)場200臺ECHO5303進行安裝，經(jīng)過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(xiàn)象。當兩端的電壓等于或超出壓敏電阻的敏感電壓時，高脈沖被旁路至控制器接地端，高電壓過去后，壓敏電阻阻值又恢復到無窮大，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單，制作方便，可接入控制器輸出的啟動、停止控制回路中，可大規(guī)模對所有控制器進行安裝、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。各種接口電路，如USB，IEEE 1394，RS422/485等，均可采用CMOS工藝實現(xiàn)。接口電路通常采用CMOS功率開關作輸出緩沖電路。在實際應用環(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，接口電路端口電壓高于電源電壓，此時，保護電路將CMOS功率開關與端口沖擊電壓隔離，從而保證接口電路的安全。提出一種簡潔有效的保護電路。該電路可自動選擇CMOS功率開關的襯底和柵極偏置電壓，從而抑制反向電流，保障器件安全。這種保護電路沒有與CMOS功率開關串聯(lián)，因此電路的輸出驅(qū)動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(shù)字工藝設計，制作的電路實現(xiàn)了
反向電壓保護，獲得了良好的效果。
過壓保護電路
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，電源電壓正常，為
之間的某個電壓，此時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關斷。輸入信號經(jīng)過開關對管MN4/MP6到達MP1柵極電位，實現(xiàn)了電路的正常功能。由于開關對管的導通電阻遠小于PMOS開關管。此外，電路正常工作時，反相器MP4/MN2，MP5/MN3均處于關斷狀態(tài)，不會增加電路的靜態(tài)功耗。
試驗結(jié)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器件的工作狀態(tài)進行仿真。圖5（a）所示為
時MP1的柵極電位(
)、襯底電位(
)與輸出端電壓()的跟隨曲線?？梢钥闯?，和能夠理想地跟隨電壓，保證了輸出CMOS功率開關的器件安全。圖5（b）所示為電源電壓正常時(
)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，說明本文所設計的反向電壓保護電路不會影響器件輸出幅度；輸入輸出信號之間跟隨良好，說明電路具有良好的瞬態(tài)響應特性。該保護電路共有9個MOS管，電路結(jié)構簡單，占用版圖面積較小。采用0．6μm標準CMOS工藝設計規(guī)范進行版圖設計，如圖6所示。
反向電壓
對流片得到的芯片進行測試，器件電源電壓時，輸出端加0～12V電壓，測試輸出端灌入器件端口的電流，結(jié)果均小于1μA。測試結(jié)果表明，本文提出的保護電路在CMOS功率開關承受最大12V反向電壓時能夠提供良好保護。
結(jié)論概述
提出了一種反向電壓保護電路。該電路為CMOS功率開關提供了合理的柵極、襯底偏置電位，電路結(jié)構簡單，版圖面積小，不影響電路輸出驅(qū)動能力和電路靜態(tài)功耗，適用于各種接口電路，可實現(xiàn)反向電壓保護功能。該電路采用0．6μm標準CMOS工藝流片，實現(xiàn)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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