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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(lǐng)域 | 電力術(shù)語 |
抽油機(jī)控制器
原因分析
分析3種抽油機(jī)控制器電路，ECHO5302控制抽油機(jī)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(jī)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(fù)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(qiáng)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(fù)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(shè)計過壓保護(hù)電路的解決方案。
反向設(shè)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(dǎo)通接地端進(jìn)行分壓。控制器觸點輸出、中間繼電器和J2組成控制回路，控制設(shè)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(hù)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(yīng)用
購置選型CNRJ10D471K型壓敏電阻，根據(jù)線路、模塊設(shè)計進(jìn)行制作。在設(shè)備輸出端子上通過引腳安裝，進(jìn)行測試，在高電壓500V時，可以通過壓敏電阻泄壓，符合設(shè)計要求。在石西油田、莫北油田現(xiàn)場200臺ECHO5303進(jìn)行安裝，經(jīng)過1年使用，安裝的反向電壓保護(hù)裝置未發(fā)生控制器死機(jī)、啟停故障等現(xiàn)象。當(dāng)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(fù)到無窮大，從而保護(hù)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(jìn)行安裝、推廣使用。
保護(hù)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(guān)作輸出緩沖電路。在實際應(yīng)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(shè)計相應(yīng)的反向電壓保護(hù)電路。當(dāng)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(hù)電路將CMOS功率開關(guān)與端口沖擊電壓隔離，從而保證接口電路的安全。提出一種簡潔有效的保護(hù)電路。該電路可自動選擇CMOS功率開關(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(hù)電路沒有與CMOS功率開關(guān)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(yīng)用于一款接口電路芯片，采用0.6μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS數(shù)字工藝設(shè)計，制作的電路實現(xiàn)了
反向電壓保護(hù)，獲得了良好的效果。
過壓保護(hù)電路
圖1
圖2
圖3
工作原理
反向電壓保護(hù)電路由襯底電壓保護(hù)電路和柵極電壓保護(hù)電路組成，其基本原理如圖4所示。
圖4
當(dāng)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(hù)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(dǎo)通；MP5/MN3反相器輸出為高電平，MN4導(dǎo)通，MP7關(guān)斷。輸入信號經(jīng)過開關(guān)對管MN4/MP6到達(dá)MP1柵極電位，實現(xiàn)了電路的正常功能。由于開關(guān)對管的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于PMOS開關(guān)管。此外，電路正常工作時，反相器MP4/MN2，MP5/MN3均處于關(guān)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(hù)電路用于某接口電路，采用0.6μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)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(jìn)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。可以看出，和能夠理想地跟隨電壓，保證了輸出CMOS功率開關(guān)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(shè)計的反向電壓保護(hù)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(yīng)特性。該保護(hù)電路共有9個MOS管，電路結(jié)構(gòu)簡單，占用版圖面積較小。采用0．6μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計規(guī)范進(jìn)行版圖設(shè)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，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(hù)電路在CMOS功率開關(guān)承受最大12V反向電壓時能夠提供良好保護(hù)。
結(jié)論概述
提出了一種反向電壓保護(hù)電路。該電路為CMOS功率開關(guān)提供了合理的柵極、襯底偏置電位，電路結(jié)構(gòu)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(hù)功能。該電路采用0．6μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流片，實現(xiàn)了反向電壓保護(hù)，獲得了良好的反向電壓保護(hù)效果。
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