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前言

最近在设计一款高精度电压测量装置，测量范围为0~80V，精度达到mV级别。为了测试装置的安全运行，就必须设计一组过压保护电路，当测量电压超过80V时，自动关闭测量接口从而保护电路元器件。
首先我就去找成熟的电压限制芯片，大部分芯片都到不了80V的过压保护，个别可以有，但这些都有一个低压限制的问题。比如说，低于1.5V，电压限制芯片也会保护，但我的需求是低压限制基本在0V，市面上满足这些条件的芯片几乎没有。
于是就自行设计，多次尝试后终于有了一套可行的、经济的方案。

一、为什么不能直接用TVS？

相信做过硬件电路设计的同学对TVS并不陌生，这是瞬态电压抑制二极管，主要作用是抑制瞬态过电压，保护敏感元件免受电压尖峰的损害。它的保护原理是，当电路中出现瞬态高电压时，TVS 会迅速击穿，将电压钳位在一个安全水平。看功能非常符合我们的电路设计要求。但TVS有以下缺点：
1.单次能量处理能力不足。
当电路中出现持续时间较长导通电压时，会导致器件损坏。TVS 的过压承受时间通常在微秒至毫秒级。
2.耐受能力差。
频繁的过压会导致 TVS 性能衰减，从而无法达到长时间稳定保护。

有的同学可能会想到，再搭配保险丝，这样过压时的高电流会熔断保险丝从而形成有效保护，但还是有以下缺点。
很有可能还未到保险丝熔断时间，TVS就首先损坏了。如果用快速熔断的保险丝，那么每次过压也需要更换保险丝，也是麻烦。如果使用自恢复保险，它在过流下会不断尝试接通，这样也就形成频繁的TVS导通，也会损坏TVS。

所以稳定的，能持久工作的过压保护电路设计还是非常需要的。

二、什么是比较器？

比较器（Comparator）是一种电子电路或算法组件，主要用于比较两个输入信号的大小关系，并输出相应的逻辑电平。它在数字电路、信号处理和控制系统中有广泛应用。如图

基本工作原理
Vcc和Vss是比较器的高位电压和低位电压，也就是，一般情况下，Vout输出高电平是Vcc，低电平是Vss。
比较器通过比较两个输入电压V+和V-的大小来工作：
当V+ > V-时，输出高电平（逻辑"1"）也就是Vout = Vcc
当V+ < V-时，输出低电平（逻辑"0"）也就是Vout = Vss

比较器不同于普通运放，不满足虚短条件（V+ = V-），因工作在开环饱和状态，无负反馈强制两输入端电位相等。但满足虚断条件（I+ = I- = 0），虚断的成立基于运放输入阻抗极高，与是否存在反馈或工作状态无关。即使在开环状态下，比较器两输入端的电流仍趋近于零，这是所有运放的阻抗特性。

同学们此时会有一个想法，可以将V+始终接入80V，如果V- > 80，那么Vout输出低电平，关闭后续的MOS管，如果V- < 80，那么Vout输出高电平，开启后续的MOS管，从而实现过压保护。这是确实是主旨思路，但实际运用存在很多问题，下面会慢慢介绍。

三、什么是继电器？

继电器是一种通过电信号控制电路通断的自动开关装置，广泛应用于电力系统、电子设备、自动化控制等领域。它能以小电流、低电压的控制信号来操控大电流、高电压的主电路，起到 “自动开关”“信号放大”“安全隔离” 等作用。

如图，当线圈通入电流时，也就是Vde满足导通电压，电磁铁产生磁场，吸引衔铁带动触点动作，从而使B、C闭合。当Vde电压为0，线圈无通入电流，衔铁会在弹簧的作用下弹起，从而使A、B闭合。
继电器分为以下三种
常开（NO）：一个触电，线圈断电时断开，通电时闭合；
常闭（NC）：一个触电，线圈断电时闭合，通电时断开；
转换（CO）：两个触电，包含一组常开和一组常闭触点。也就是图片那种。

四、什么MOSFET？

对它的主要功能可以去看模电类书籍，这里形象的介绍一下它的作用。就以绝缘栅N沟道增强型为例，这也是最常用的型号。
可以认为，当g、s之间的电压大于导通电压时，d、s之间导通，当g、s之间的电压小于导通电压时，d、s之间截止。如图，iD表示d、s之间的电流，表明d、s之间的导通通道状况。
可以先简单看成一个信号控制开关，用gs之间电压来导通ds。

五、比较器电路设计

首先看这张图片，为什么不能将V+始终接入80V，判断V- 与 V+的关系呢。这是因为我们输入的电压都是有波动的，如果V-在80V左右或者说V+不稳定，那么就会导致Vout不断地高低电平切换，这是我们不想看到的，不仅会对比较器性能产生影响，而且这浪涌电压也会对后续电路产生损坏。
于是，采用了如图反馈连接，Vin是输入电压，也是要判断的电压，Vref为基准电压。当Vin > Vinh是，Vout = GND；当Vin < Vinl是，Vout = VCC。而Vinh - Vinl就是间隙电压，这样的话即使测量的电压在阈值周围波动，只要波动不超过间隙电压，就不会导致Vout输出产生变化。
基础的公式如下图，经过推导，得出上图的3个公式，再按照我说的方法确定各电阻阻值。

另外，很少比较器能支持输入引脚承受80V电压，所以也必须采用电阻分压，其中要注意的是Vref作为基准电压一定要足够稳定与精确，尽量保证极小电流通过Vref，所以建议R1大于等于10K，同理R4也选择10K，Vin也保证极小电流通过，否则影响测量精度，R4也大于等于10K。所用的器件后面会给出。
图中设计的是，过压Vout输出低电位，正常Vout输出高电位。

下图是比较器正负的连接对调，就能实现输出对调，按需求选择。

六、整体电路设计

其中REF3025是一款高精度、低功耗、低压差2.5V电压基准产品，具有出色的温度漂移和初始精度，静态电流仅为 42 微安（典型值）。其低功耗和相对较高的精度使其在诸如压力和温度变送器等由回路供电的工业应用中极具吸引力。由于无需外接负载电容即可保持稳定。REF30xx 的工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。在零负载条件下，其工作电源电压与输出电压的差值小于 1 毫伏。注意输出功耗有限，为了保证精准，尽量使2.5V_B输出电流极小。

比较器选用的是TLV1805 高电压比较器集独特的宽电源范围、推挽输出、轨至轨输入、低静态电流、关断功能和快速输出响应组合特性于一体。所有这些特性使该比较器非常适合需要在正电压轨或负电压轨上进行检测的应用。其中5号引脚是关机引脚，接高电平，不使用。

继电器选用G6S-2F-TR，是一款双触电转换继电器，当1、12号引脚无电流，4、9和3、10相接；当1、12号引脚有电流，4、9和5、8相接。按照自己的继电器计算电磁铁导通电流，本款继电器在5V下刚好满足额定导通电流，无需外加电阻限流。
IN4148是一款开关二极管，大家知道电磁铁相当于电感，当继电器5V电源关断时，电磁铁会阻碍电流消失，那么贮存的磁能就会转化为电能，形成同方向感应电流，如果没有IN4148，此时电磁铁是断路，那么电阻也就无穷大，那么理论上感应电流会产生无穷大的感应电势，从而损坏器件。当加入了IN4148，会形成一个同感应电流同方向的导通电路，从而电磁铁相当于接入了回路，此时电阻也就不大，感应电势也就不大，电流在回路中不断消耗，从而达到保护器件的作用。

2N7002是一款绝缘栅N沟道增强型MOS管，当比较器TLV1805输出高电平，GS会有5V电压，从而使DS导通，电磁铁上的电路形成回路，产生电流，继电器导通；当比较器TLV1805输出低电平，GS没有压差，从而DS截至，电磁铁上的电路形成断路，无电流，继电器截止。

比较器的带载能力很差，想要保持Vout的稳定，是几乎不能有电流经过Vout端，虽然该比较器说明了有100mA的带载能力，但这是牺牲Vout与稳定值巨大压差带来的，而本文设计是需要Vout作为反馈引入输入端，按前文公式可知，VCC电压会影响Vinl，不影响Vinh，所以采用了2N7002一个MOS管来隔离电路，这样不管关闭还是导通，都不会有电流流过Vout端。
在Vout输出高电平时，因为要驱动LED灯，大概会有3mA的电流流出Vout端，此时产生的压降不超过100mV，设计的间隙电压为2.08V，完全足够，所以没有问题。

2920L020是自恢复保险丝，用来防止意外短接，SMDJ85A是TVS，用来防止浪涌电压。

所有的器件都介绍完了，图中电阻形成的保护电压在图中标注好了，大家可以按公式验证一下。正常情况下INV1_test接入test1_V+，接入通路中没有任何电阻，不会产生压降，保证精度；过压下INV1_test接入GND，将INV1_test接入后续的电路，从而实现了过压保护。

七、为什么不使用MOS管电路代替继电器

对于有经验的同学可以看看这个问题。如果使用MOS管电路代替继电器，那么继电器的部分应该换成下图部分。

使用MOS管电路能使用更少的体积，也是市面常用方法。先看看电路如何工作。
A端接入待保护电压正极，也就是test1_V+，B端接入比较器输出端，也就是Vout端。当Vout输出5V高电平，Q2导通，A端通过稳压管DZ1、R9//R10与地形成回路。此时稳压管DZ1强制稳压Q1的SG电压为15V，Q1导通，A端接入VCC_OUT2，相当于INV1_test接入test1_V+。当Vout输出0V低电平，Q2截至，A端与地不形成回路。也就没有电流，从而Q1的SG电压为0V，Q1截至，A端与VCC_OUT2断开，VCC_OUT2悬空。

注意Q1是绝缘栅P沟道增强型MOS管，它的工作图如下图。

使用稳压管DZ1是因为Q1的SG之间电压不大于20V，一般MOS管都是这个阈值，当SG之间电压超过15V，稳压管DZ1能将SG之间电压钳位到15V，不至于损坏MOS管，一般导通电压也就可能0.8V左右，选择15V是为了完全形成导通通道，降低Q1的S、D之间的压降。R7不需要，可以省略，R5是为了Q1关断时提供一个结电容电压释放通道，选择100K，也是为了不影响稳压管DZ1的等效电阻。
对于电阻R9与R10的阻值选择很关键，需要满足导通下DZ1和Q2的导通电流不超过阈值，且尽量使DZ1稳压电流在额定范围内，R9与R10的功率也不能小，毕竟是有大电流流过。

通过上面简介，可以看出使用MOS管电路更加复杂，俗话说，越简单的设计越可靠。除此之外MOS管电路还有以下弊端。
1.被测电压test1_V+需要有一定的带载能力
通过上述介绍，正常工作时，test1_V+通过稳压管DZ1、R9//R10与地形成回路，是会产生电流。一但test1_V+的带载功耗较低，不能满足这部分电流消耗，会致使test1_V+的电压下降，从而达到一个新的平衡，这样测量精度就会降低。大部分电压计是要尽量减小测量电压的功率消耗的，也就是输入电阻尽量大。对比继电器设计，导通时，INV1_test与test1_V+之间是导线，不会产生功耗；截止时，NV1_test与test1_V+断路，电阻相当无穷大。
2.MOS管具有最小的导通电压
每个MOS管都有一个Ugs(th)，这是最小的导通电压，这个电压下，导通沟道才刚刚形成，此时导通电阻也会很大，一般这个电压在0.7V左右。这就导致了如果被测电压低于0.7V，就无法工作，也就是低压空白区，市面上很多芯片有低压限制，也大都是因为这个原因。

总结

时间有限，有所错字，还望包涵。如果大家有什么更好的高压保护电路设计，还请不吝赐教。

更新（2026年9月15日）

经过后期发现，以上的电路图有一个错误。
首先我对比较器进行同相反馈和反相反馈是为了形成迟滞电压比较器，在上文设计中，同相反馈的设计和计算公式是没有问题的（第五节的第一张图），但是反相反馈的设计我想当然了，他是不对的，准确说有瑕疵的（第五节的第三张图和第六节的电路图）

瑕疵点

在该电路图的设计中，随着输入电压Vin升高到同相电压大于反相电压，此时比较器输出电压从0V跳变到5V，该跳变会抬升反相电压，那么同相电压就开始小于反相电压，比较器输出电压又从5V跳变到0V，该跳变又会降低反相电压；同相电压就又大于反相电压，如此反复；
以上造成的结果是，在迟滞电压区间，比较器输出电压在0V和5V之间不断的跳变，类似一个PWM信号输出，频率取决于该比较器性能，以本文使用的比较器TLV1805，这个PWM频率大约有几MHZ（实验中示波器观察得到）。宏观体现在迟滞电压区间，比较器输出电压随着输入电压增大线性增大，当输入电压高于上行阈值时，比较器输出电压才到5V。

解决方法

最简单的就是使用同相反馈的设计，如果想要高压下比较器输出高电平，那就给比较器输出端接入反相器就能得到（本文电路设计的2N7002就有该功能）。
如果是在想用反相反馈的设计，可以采用下图设计：

如果之前的错误给大家带来了不便之处，这里深感抱歉！！！