常用過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫保護(hù)電路之選型技巧

隨著電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和集成度越來(lái)越高，而工作電壓越來(lái)越低，電子系統(tǒng)對(duì)可靠性、穩(wěn)定性和安全性的要求也越來(lái)越高，電路保護(hù)設(shè)計(jì)的重要性也越來(lái)越強(qiáng)。在電路保護(hù)設(shè)計(jì)中，電路保護(hù)器件的選擇和應(yīng)用是否合理，將直接影響電子系統(tǒng)電路保護(hù)方案的保護(hù)效果。為了幫助工程師正確選擇電路保護(hù)器件，合理應(yīng)用電路保護(hù)器件設(shè)計(jì)高效的電路保護(hù)解決方案，本期大講臺(tái)將分三部分進(jìn)行介紹：第一部分介紹常見(jiàn)的電路保護(hù)器件之選型技巧;第二部分重點(diǎn)分析保險(xiǎn)絲、瞬態(tài)電壓抑制器、ESD保護(hù)器件、防雷保護(hù)器件等的 實(shí)際應(yīng)用方案;第三部分將結(jié)合電子元件技術(shù)網(wǎng)論壇和電路保護(hù)與電磁兼容研討會(huì)中關(guān)于選用電路保護(hù)器件的討論，整理出電路保護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中較常遇到的難題Q&A。

電路保護(hù)主要有三種形式：過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)。選擇適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)器件是實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電路保護(hù)設(shè)計(jì)之關(guān)鍵的第一步，那么，如何合理選擇電路保護(hù)器件?不同的保護(hù)器件其保護(hù)原理也各有不同，選擇的時(shí)候應(yīng)結(jié)合其保護(hù)原理、工作條件和使用環(huán)境來(lái)考慮。本文將介紹常用的幾種過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)器件之選型技巧，幫助工程師正確選擇電路保護(hù)器件。

1. 過(guò)壓保護(hù)器件的選型要點(diǎn)

過(guò)壓保護(hù)器件(OVP)用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞，常用的過(guò)壓保護(hù)器件有壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器、靜電抑制器和放電管等。過(guò)壓保護(hù)器件選型應(yīng)注意以下四個(gè)要點(diǎn)：

1)關(guān)斷電壓Vrwm的選擇。一般關(guān)斷電壓至少要比線路最高工作電壓高10%

2)箝位電壓VC的選擇。VC是指在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓，它必須小于被保護(hù)電路的能承受的最大瞬態(tài)電壓

3)浪涌功率Pppm的選擇。不同功率，保護(hù)的時(shí)間不同，如600w(10/1000us);300W(8/20us)

4)極間電容的選擇。被保護(hù)元器件的工作頻率越高，要求TVS的電容要越小

1.1 ESD抑制器

選擇合適的ESD保護(hù)器件，最大的難點(diǎn)在于如何最容易地明確哪種器件可以提供最大的保護(hù)。系統(tǒng)供應(yīng)商一般是通過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)上的ESD額定值(或標(biāo)稱(chēng)值)來(lái)比較ESD保護(hù)器件的好壞。事實(shí)上，從這些額定值根本看不出器件保護(hù)系統(tǒng)的能力有多強(qiáng)，關(guān)鍵取決于其二極管參數(shù)。主要的參考系數(shù)應(yīng)該是：

快速響應(yīng)時(shí)間

低箝位電壓

高電流浪涌承受能力

AEM(蘇州)科技有限公司副總經(jīng)理鄭索平介紹，選擇ESD器件應(yīng)該遵循下面的要求：

(1)選擇靜電保護(hù)器件注意：

• 箝制電壓不要超過(guò)受保護(hù)器件的最大承受電壓

• 電路電壓不超過(guò)保護(hù)器件工作電壓

• 低電容值、漏電流盡可能的減少干擾及損耗

(2)靜電保護(hù)器件盡量安裝在最接近靜電輸入的地方，遠(yuǎn)離被保護(hù)器件

(3)靜電保護(hù)器件一定接的大地線，不是數(shù)字地線

(4)回地的線路盡量的短，靜電保護(hù)器件與被保護(hù)線路之間的距離盡量的短

(5)盡量避免被保護(hù)與未被保護(hù)線路并排走線

1.2壓敏電阻

壓敏電阻是一種用得最多的限壓器件。廣泛的應(yīng)用在汽車(chē)電子、通迅、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、軍用電子產(chǎn)品等方面，特別是在LCD、鍵盤(pán)、I/O 接口、IC、MOSFET、CMOS、傳感器、手機(jī)、DVD、AV、ABS、馬達(dá)控制板、MP3、PDA、USB接口及高速數(shù)據(jù)信號(hào)線路上進(jìn)行保護(hù)等。

壓敏電阻選用時(shí)應(yīng)注意的是：連續(xù)施加在壓敏電阻兩端的電源電壓，不能超過(guò)規(guī)格表中列出的¡°最大持續(xù)工作電壓¡±值。還要充分考慮到電網(wǎng)(或電路)工作電壓的波動(dòng)幅度, 選取壓敏電阻的壓敏電壓值時(shí)，要留有足夠的余量。國(guó)內(nèi)一般的波動(dòng)幅度為30%。通過(guò)壓敏電阻的最大浪涌電流不應(yīng)超過(guò)技術(shù)規(guī)格書(shū)中的¡°最大沖擊電流¡±值 (也就是最大通流量)?？紤]到要耐受多次沖擊時(shí)，應(yīng)該選用能耐受10次以上沖擊的浪涌電流值。 壓敏電阻的箝位電壓必須小于被保護(hù)的部件或設(shè)備能承受的最大電壓(即安全電壓)。

1.3 瞬態(tài)電壓抑制器TVS

瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體及敏感的電子零件過(guò)電壓、ESD保護(hù)上，主要包括：消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品、通訊、電腦、汽車(chē)、電源供應(yīng)品、信號(hào)線路保護(hù)及軍事、航天航空導(dǎo)航系統(tǒng)及控制系統(tǒng)上。最大箝位電壓VC不可大于被保護(hù)設(shè)備最大的安全電壓，以及反向工作電壓(反向斷態(tài)電壓)須大于線路正常工作電壓，是使用TVS管時(shí)必須注意的問(wèn)題，另外， 交流電壓只能用雙向TVS。

TVS管的選用應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限。

TVS額定反向關(guān)斷VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串行連接分電壓，并行連接分電流。

TVS的最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。

在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。

對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護(hù)選用TVS陣列更為有利。

溫度考慮。瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55~+150℃之間工作。如果需要TVS在一個(gè)變化的溫度 工作，由于其反向漏電流IR是隨增加而增大;功耗隨 TVS結(jié)溫增加而下降，從+25℃到+175℃，大約線性下降50%雨擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫 度變化對(duì)其特性的影響

1.4 陶瓷氣體放電管

陶瓷氣體放電管屬于開(kāi)關(guān)組件，用于電源防雷器共模電路中將雷電流泄放入地，也可用在差模電路中與壓敏電阻串聯(lián)而阻斷其漏電流。在信號(hào)防雷器中常用于第一級(jí)泄放浪涌電流，由于其反應(yīng)速度慢，還要用第二級(jí)作限壓保護(hù)。

在選擇陶瓷氣體放電管時(shí)應(yīng)注意：

陶瓷氣體放電管不能直接用在電源上做差模保護(hù);

擊穿電壓要大于線路上最大信號(hào)電頻電壓;

耐電流不能小于線路上可能出現(xiàn)的最大異常電流;

還有脈沖擊穿電壓須小于被保護(hù)線路電壓。

2 過(guò)流保護(hù)器件的選型

過(guò)流保護(hù)器件主要有一次性熔斷器、自恢復(fù)熔斷器、熔斷電阻和斷路器等，其中，最重要的過(guò)流保護(hù)器件是熔斷器，也叫保險(xiǎn)絲。它一般串聯(lián)在電路中，要求其電阻要小(功耗小)，當(dāng)電路正常工作時(shí)，它只相當(dāng)于一根導(dǎo)線，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的導(dǎo)通電路;由于電源或外部干擾而發(fā)生電流波動(dòng)時(shí)，也應(yīng)能承受一定范圍的過(guò)載;只有當(dāng)電路中出現(xiàn)較大的過(guò)載電流(故障或短路)時(shí)，熔斷器才會(huì)動(dòng)作，通過(guò)斷開(kāi)電流來(lái)保護(hù)電路的安全，以避免產(chǎn)品燒毀的危險(xiǎn)。

在熔斷器分?jǐn)嚯娐返倪^(guò)程中，由于電路電壓的存在，在熔體斷開(kāi)的瞬間會(huì)發(fā)生電弧，高質(zhì)量的熔斷器應(yīng)該盡量避免這種飛弧;在分?jǐn)嚯娐泛?，熔斷器?yīng)能耐受加在兩端的電路電壓。熔斷器受脈沖損傷會(huì)逐步降低承受脈沖的能力，選用時(shí)需要考慮必要的安全余量;這個(gè)安全余量是指熔斷器的總?cè)蹟?動(dòng)作)時(shí)間，它是預(yù)飛弧時(shí)間和飛弧時(shí)間之和。所以在選擇的時(shí)候需要留意它的熔斷特性和額定電流這個(gè)基本條件;另外安裝時(shí)要考慮熔斷器周邊的環(huán)境，熔斷器只有達(dá)到本身的熔化熱能值的時(shí)候才會(huì)熔斷，如果是在環(huán)境較冷的狀況下，它的熔斷時(shí)間會(huì)變化，這是使用時(shí)必須留意的。

總的來(lái)說(shuō)，保險(xiǎn)絲的選型應(yīng)注意以下十個(gè)要素：

額定電流;

額定電壓;

環(huán)境溫度;

電壓降 / 冷電阻;

熔斷特性: 過(guò)載能力，時(shí)間 / 電流特性;

分?jǐn)嗄芰?

熔化熱能值;

耐久性(壽命);

結(jié)構(gòu)特征： 外形 / 尺寸，安裝形式;

安全認(rèn)證

結(jié)合以上的十個(gè)保險(xiǎn)絲選用注意要素，保險(xiǎn)絲的選用可根據(jù)下圖所示的流程來(lái)進(jìn)行。

3 過(guò)溫保護(hù)器件的選型

過(guò)溫保護(hù)器件主要有熱敏電阻、溫度開(kāi)關(guān)和溫度熔斷器等。在電源設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用NTC熱敏電阻型浪涌抑制器作過(guò)溫保護(hù)，因?yàn)槠湟种评擞侩娏鞯哪芰εc普通電阻相當(dāng)，但在電阻上的功耗則可降低幾十到上百倍。

NTC熱敏電阻，即負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其特性是電阻值隨著溫度的升高而呈非線性的下降。NTC熱敏電阻的選型要考慮以下幾個(gè)要點(diǎn)：

1)最大額定電壓和濾波電容值

濾波電容的大小決定了應(yīng)該選用多大尺寸的NTC。對(duì)于某個(gè)尺寸的NTC熱敏電阻來(lái)說(shuō)，允許接入的濾波電容的大小是有嚴(yán)格要求的，這個(gè)值也與最大額定電壓有關(guān)。在電源應(yīng)用中，開(kāi)機(jī)浪涌是因?yàn)殡娙莩潆姰a(chǎn)生的，因此通常用給定電壓值下的允許接入的電容量來(lái)評(píng)估NTC熱敏電阻承受浪涌電流的能力。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是輸入電壓越大，允許接入的最大電容值就越小，反之亦然。NTC熱敏電阻產(chǎn)品的規(guī)范一般定義了在220Vac下允許接入的最大電容值。

2)產(chǎn)品允許的最大啟動(dòng)電流值和長(zhǎng)期加載在NTC熱敏電阻上的工作電流

電子產(chǎn)品允許的最大啟動(dòng)電流值決定了NTC熱敏電阻的阻值。產(chǎn)品正常工作時(shí)，長(zhǎng)期加載在NTC熱敏電阻上的電流應(yīng)不大于規(guī)格書(shū)規(guī)定的電流。

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