1 引言
由于高铁受雷击而停运，电动汽车因电源过载而暴炸；电子设备的应用在生活中随处可见，但由于设备故障导致工作无法开展的屡见不鲜。为此，我们有必要做工作，保证设备正常的工作。本文就电子设备的主要故障电源保护电路提出了自己的做法，建立保护电路模型，实时状态模拟，构建保护电路设计方案。
2 电子设备故障原因
据资料分析，电子设备在预期有效时间内失效的主要原因是外部故障条件所导致的损坏：一是由于用户供电点电网的电压出现波动( 瞬态峰值、浪涌电压等)；二是在使用过程受到人体接触或设备移动引起的静电的损坏等，雷电、带电插拔等；三是因机械故障或因瞬间电流变化等使设备负载急剧的变化等。其中由于电压的浪涌，即短期(10ms 左右) 或长期的过电压，占全部损坏原因的45.3％。雷击占9.4％。而电压过低( 含短期脉动) 占87％，以及脉冲尖峰干扰占9％。
3 电子设备保护电路类型
针对电子设备失效的原因，保护电路设计主要分为以下几方面：
3.1 过压保护
过压保护电路设计我们主要采取三项措施：一是电压钳位：设计合适的电压钳位电路可以使保护器件或单元电路的电压限制在安全的范围内。二是降压电路：通过并联压敏电阻或者其他压敏器件，当电压超过压敏器件的临界电压时，压敏器件工作，可以降低电压，起到保护作用。三是稳压电路：通过稳压电路促使回路中电压在控制在一定的范围内。
3.2 过流保护
过流保护电路设计我们经常采用二种方式：一是限流：当回路中电流过大时，保护电路以泻流方式限流，防止回路中出现过流。故障解除后可以自动恢复工作。二是断流：当电路中出现较大的过载电流( 故障或短路) 时，熔断器自动切断电流，达到保护的目的。
3.3 过热保护
过热保护电路设计我们通常使用热敏元件做传感器来检测回路中保护器件的温度情况，一旦过热启动保护电路对器件实行保护。
4 电子设备保护电路模型
通过对电子设备保护电路的分析，形成了电子设备保护电路设计模型，设计模型是一个软件，将变化的各种情况输入就可以得到你想要的设计框图。设计模型主要有以下几个部分构成。
(1) 环境状态情况
使用设备的人的素质、自然环境、使用状态等等；
(2) 保护方式选择
搞清楚你的主要问题；是过压还是过流，是过载还是浪涌；
(3) 保护器件选择
将器件的性能参数等输入；
(4) 保护执行机构
根据以上情况做出判断，提出相应的保护电路设计框图；形成执行保护电路。
此电路设计模型，是一个由计算机综合判断给出模拟结论的方式，它涵盖有模拟系统和仿真系统，当然，本系统还不完善，由于器件在不断更新、状态在不断变化，无法得到一个实时状态。所以，最后要经实践验证。我们尝试以这种方式解决保护电路的设计问题。图1 是设计模型对输入状态电路保护给出的一般解决方案。
5 保护电路分析
保护电路的目的就是要保护管网和重要器件不发生故障。据美国海军电子实验室的统计，整机出现故障的原因：设计上的原因40%，元器件质量上的原因30%，操作和维护上的原因20%，制造上的原因10%。为此我们首先在设计上要满足可靠性要求，优化设计；其次在元器件的筛选上应进行严格的性能测试和老化筛选；再结合先进的制造工艺。
5.1 保护器件的使用
电源保护最简单的办法就是保险丝，它分成二类：一是熔断式保险丝，二是自恢复式保险丝。根据焦尔定律：Q =I2RT，当通过保险丝的电流达到一定时，在保险丝上所产生的热量达到它的固态熔点，保险丝就会自动熔断而起到保护电路的作用。自恢复式保险丝，采用经特殊处理的聚合树脂和导电粒子材料制造而成，产品本身对温度较敏感，它随着温度的升高，自身的电阻值也随着升高。在正常情况下成低阻( 导通) 状态，当流经自恢复保险丝的大电流产生的热量使聚合树脂融化时，形成高阻( 断路) 状态，工作电流迅速减小，从而对电路进行限制和保护。当故障排除后，自恢复保险丝冷却结晶，恢复为低阻状态，从而完成对电路的保护。常见的保护器件类型见表1。
5.1.1 TVS 在电源电路中的应用
图2 是一个双向TVS 在电源电路中的应用。TVS 有效地抑制了电网带来的过载脉冲，因此保护了整流单元电路和负载器件。图2 中的TVS 箝位电压要求不大于电路中最大允许电压。
5.1.2 PTC 在过流电路中的应用
在图3 中，当电路处于正常状态时，通过PTC 热敏电阻的电流小于设计电流，PTC 的阻值很小，不影响电路的正常工作。当电路出现故障，电流超过设计电流时，过流保护用PTC 热敏电阻就会发热，呈高阻状态，使电路处于“断开”状态，从而保护电路不受破坏。当故障排除后，PTC 热敏电阻又会回复至低阻状态，电路继续正常工作。
5.2 集成电路的保护功能
具有保护功能的集成电路有很多，如中德州仪器、美国国家半导体、飞兆半导体、意法半导体和凌特等厂商制造的产品大多具有保护功能。图4 是安森美公司的NCP370 芯片。这是广泛应用于便携电子产品中的芯片，该器件有正向、反向两种工作模式，通过器件的逻辑引脚进行设置。可以提供28 V 正向和负向、过压和过流保护。可以提供便携设备反向稳流；可以为FM 收发器、音频和闪光等功能电路供电。
5.3 分立元件保护电路
5.3.1 电磁干扰保护电路
本电路的功能：(1)EMC 滤波电路主要是降低电子设备对供电线路的干扰，防止线路中其它用电设备对本设备的干扰；(2)C1 和C2 电容抑制共模干扰，C3 和C4 抑制差模干扰；(3)L1和L2 分别是抑制共模和差模的电感。
5.3.2 具有箝位、过流、过压保护电路
图6 电路主要以断路方式防止高压脉冲、长期过压、电源接反等造成的损害，电路简单。如果负载电流超过1A，保险丝F1 就会烧断。稳压管D1 与电感L1 组合，防止电源接反。电解电容器C1 和电感L1 共同对输入长期高电压时实现箝位。本电路的缺点，是依靠烧断保险丝来防止过流、过压等功能，它不可恢复；当电容失效时箝位功能将无法实现。
5.3.3 组合式过压保护电路
组合式过压保护电路，其原理电路如图7 所示。气体放电管作初级保护元件，它可以限制20 kA(8/20)、μs 或者2.5kA(10/350)、μs 以内的瞬变电流；压敏电阻则可以限制2.5kA -- 5kA (8/20)、μs 的瞬变电流，作为中级保护元件；对于剩余的残压，采用反应灵敏的限压二极管，它的响应时间可达μs 级，限压值大约为额定电压的1.8 倍。在产生过压时，限压二极管作为反应最快的元件第一个动作，如果放电电流超过限压二极管的放电能力，放电电流就由压敏电阻放电电路释放电流；同样道理，如果放电电流达到了压敏电阻的放电能力，则由气体放电管电路释放电流。
6 结束语
在实际应用中，除以上保护电路外，还有短路保护、欠压保护、极性保护、过载保护等等。不管采用什么样的保护电路，原则上都是通过保护电路来改变电路中有关元器件的工作状态，最终达到保护电源本身及负载电路中元器件的目的。保证设备的安全运行和可靠，是一个复杂的涉及多方面的系统工程。只有给予足够的重视并采取多种保护措施，才能得到满意的结果。
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