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  • 部分元器件電源端口的防護(hù)設(shè)計中的應(yīng)用介紹
    • 發(fā)布時間:2020-12-21 15:33:06
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    部分元器件電源端口的防護(hù)設(shè)計中的應(yīng)用介紹
    介紹幾種重要的無源防護(hù)器件,主要針對這些器件在電源端口的防護(hù)設(shè)計中的應(yīng)用。
    一、器件介紹
    1、氣體放電管GDT
    GDT的原理就是利用高壓時氣體電離產(chǎn)生弧光放電來進(jìn)行高壓泄放,可以理解為一個高壓控制的開關(guān)管。具體放電過程:正常時處于高阻狀態(tài),有高壓時開始進(jìn)入輝光狀態(tài),電流增大,進(jìn)入弧光放電狀態(tài),類似導(dǎo)通。GDT導(dǎo)通時電壓很低約為20~50V,因此可以保護(hù)后級電路,主要用于雷擊浪涌的高壓保護(hù)。
    主要參數(shù):
    這里總結(jié)GDT的幾個應(yīng)用特點(diǎn):
    1.1 通流量大,能達(dá)到上百KA。
    1.2 響應(yīng)時間慢。因?yàn)楣軆?nèi)的氣體電離需要時間,一般在幾百nS。
    1.3 絕緣電阻高,一般達(dá)到1GΩ。因此漏電流小。
    1.4 寄生電容小,只有幾PF,因此對高速信號影響小。
    1.5 存在直流續(xù)流電壓。就是導(dǎo)通后依靠低壓依然有電流通過。
    1.6 多次放電后性能下降,需要更換,因?yàn)殡婋x的原因。
    2、壓敏電阻MOV
    金屬氧化物壓敏電阻顧名思義就是電阻響應(yīng)一定電壓值,工作原理是通過在高壓狀態(tài)下進(jìn)行。
    MOV應(yīng)用的幾個特點(diǎn):
    2.1 通流量較大,一般在數(shù)十KA。
    2.2 殘壓較高,因此需要配合其他次級保護(hù)器件。
    2.3 DC漏電流小。
    2.4 寄生電容較大,在nF左右,因此高速信號限制使用,交流時漏電流較大。
    2.5 反應(yīng)時間較快,在數(shù)十nS級別。
    2.6 使用壽命較短,損壞模式短路較多。
    3、熱敏電阻PTC
    熱敏電阻主要是串在電路中進(jìn)行大電流保護(hù)(這里是指過流保護(hù)用的PTC),基本原理就是過流發(fā)熱導(dǎo)致電阻急劇增大阻斷通路。高分子PTC熱敏電阻是由聚合物基體和使其導(dǎo)電的碳黑粒子組成。由于這種材料具有一定的導(dǎo)電能力,因而其上會有電流通過。當(dāng)有過電流通過熱敏電阻時,產(chǎn)生的熱量將使其膨脹,從而碳黑粒子將分離、其電阻將上升,而且上升速度很快。主要參數(shù)及選型:
    應(yīng)用特點(diǎn):
    3.1 響應(yīng)速度一般。
    3.2 通流量一般,主要用于短路保護(hù)。
    3.3 焊接時注意高溫導(dǎo)致?lián)p壞。
    4、穩(wěn)壓管ZENER
    穩(wěn)壓管的工作原理就是利用PN結(jié)反向擊穿時電壓基本不變的特性。
    主要說一說穩(wěn)壓二極管和普通二極管有何不同:穩(wěn)壓二極管在反向擊穿后能夠穩(wěn)壓在于其對擊穿電流進(jìn)行了限制,而且穩(wěn)壓二極管的斜率更陡峭?;緟?shù)也比較簡單,主要考慮工作電壓和電流,有些應(yīng)用場合需要注意漏電流。
    5、半導(dǎo)體放電管TSS
    TSS是一種相對特殊的保護(hù)器件,當(dāng)外加電壓低于其不動作電壓VDRM時,管子的漏電流極小,相當(dāng)于斷路;當(dāng)外電壓繼續(xù)加大時,開始發(fā)生擊穿(類是于二級管);當(dāng)外電壓進(jìn)一步加大后,管子的兩端變成導(dǎo)通狀態(tài),相當(dāng)于短路,可以泄放很大的電流;當(dāng)外電壓撤去以后,管子即可恢復(fù)斷態(tài)。
    應(yīng)用特點(diǎn):
    5.1 響應(yīng)快,在ns級
    5.2 寄生電容小
    5.3 存在維持電流
    5.4 漏電流很小
    5.5 雙向?qū)ΨQ特性
    5.6 通流量在幾百A,不大。
    最重要的應(yīng)用注意事項是應(yīng)用在有源應(yīng)用中必須加限流電阻,保證系統(tǒng)工作電流和短路電流小于維持電流IH,否則TSS就會一直導(dǎo)通。
    6、瞬態(tài)抑制二極管TVS
    TVS
    TVS可以說是EMC防護(hù)器件中最好用的器件之一,主要是響應(yīng)速度快,對ESD等作用顯著。
    基本參數(shù):
    應(yīng)用特點(diǎn):
    6.1 響應(yīng)快 ns級
    6.2 漏電流較大
    6.3 通流量較小
    7、玻璃氣體放電管SPG
    玻璃放電管,將半導(dǎo)體Si集成在氣體放電管里,使該產(chǎn)品集氣體放電管的大浪涌電流和半導(dǎo)體的高速響應(yīng)于一體,克服了原氣體放電管響應(yīng)速度慢(μs級)和半導(dǎo)體管耐浪涌電流弱的缺點(diǎn)、具有響應(yīng)速度快(ns級)、耐沖擊、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好和壽命長等優(yōu)點(diǎn),但是玻璃易碎,總體而言玻璃氣體放電管處于陶瓷氣體放電管和TVS之間。具體使用方式和GDT類似。
    8、自恢復(fù)保險絲PPTC
    自恢復(fù)保險絲在保護(hù)電路中應(yīng)用很多,PPTC經(jīng)過特殊處理的聚合樹脂(Polymer)及分布在里面的導(dǎo)電粒子(Carbon Black)組成。在正常操作下聚合樹脂緊密地將導(dǎo)電粒子束縛在結(jié)晶狀的結(jié)構(gòu)外,構(gòu)成鏈狀導(dǎo)電電通路,此時的自復(fù)保險絲為低阻狀態(tài)(a),線路上流經(jīng)自復(fù)保險絲的電流所產(chǎn)生的熱能小,不會改變晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)線路發(fā)生短路或過載時,流經(jīng)自復(fù)保險絲的大電流產(chǎn)生的熱量使聚合樹脂融化, 體積迅速增長,形成高阻狀態(tài)(b),工作電流迅速減小,從而對電路進(jìn)行限制和保護(hù)。
    9、高壓電容電容
    在保護(hù)應(yīng)用中主要是用來處理EMC問題,利用電容的耦合特性進(jìn)行高頻干擾的泄放。
    10、感性器件感性器件在電路保護(hù)中也有很多應(yīng)用,如變壓器,磁珠,磁環(huán),差共模電感等。
    10.1 磁珠磁珠的主要材料是鐵氧體,就是鐵鎂合金或者鐵鎳合金。典型特點(diǎn)就是高頻損耗非常大。鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上,如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件,就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾,它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。
    應(yīng)用要點(diǎn):靠近保護(hù)點(diǎn)。100M阻抗值。DCR直流阻抗,影響電源線。額定電流,在電源濾波時注意使用。
    10.2 共模電感
    共模電感(Common mode Choke),也叫共模扼流圈,常用于開關(guān)電源和高速差分信號中過濾共模干擾噪聲。根據(jù)應(yīng)用場合可以分為電源端口EMI濾波用和信號端口EMI濾波用,信號口共模電感的共模阻抗很高,但是差模阻抗比較低,可以應(yīng)用在高速信號端口。
    二、應(yīng)用設(shè)計
    上面介紹了一些常用的防護(hù)器件,那么在輸入電源端口的保護(hù)中如何進(jìn)行組合應(yīng)用
    交流220V接口的防護(hù)設(shè)計:
    保險絲進(jìn)行大電流保護(hù),GDT和MOV進(jìn)行浪涌保護(hù),GDT隔離MOV避免MOV的漏電流問題。GDT導(dǎo)通后壓降在20-50V左右,通過MOV通流,GDT漏電流小,寄生電容小。X/Y電容進(jìn)行差模共模干擾濾除,共模電感也是進(jìn)行共模干擾濾除。
    直流輸入端口的防護(hù)設(shè)計:
    基本思路如上,差別主要在于參數(shù)的選擇。
    實(shí)際上電源輸入端口的防護(hù)設(shè)計看起來類型比較簡單,無非就是幾種防護(hù)器件的組合應(yīng)用,我們實(shí)際設(shè)計中是沒有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的,也不可能一味的堆疊器件,因此首先還是要考慮應(yīng)用場合,譬如電源端口安全隱患是否大(容易誤插等),室內(nèi)還是室外,電磁環(huán)境是否復(fù)雜(設(shè)備附近有大電機(jī)),以及后級電路是否敏感脆弱等??赡芤粋€TVS就可以解決了EMC的防護(hù)問題,也可能因?yàn)橄到y(tǒng)布線等問題導(dǎo)致電源的傳導(dǎo)騷擾繞過了端口等。
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