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硬件开发者之路之——保护电路系列之输入电源端口的防护设计

上一篇 / 下一篇  2018-08-23 00:37:52 / 个人分类:技术生涯

之前一篇文章介绍了输入电源的防反接设计,主要是利用二极管和MOS管来设计电路,在应用中我们利用一些无源器件来进行保护防护设计更多,尤其是在EMC设计中。今天来认识几种重要的无源防护器件,主要针对这些器件在电源端口的防护设计中的应用。

一、器件介绍

1、气体放电管GDT

GDT的原理就是利用高压时气体电离产生弧光放电来进行高压泄放,可以理解为一个高压控制的开关管。具体放电过程如上图:正常时处于高阻状态,有高压时开始进入辉光状态,电流增大,进入弧光放电状态,类似导通。GDT导通时电压很低约为20~50V,因此可以保护后级电路,主要用于雷击浪涌的高压保护。
主要参数:
这里总结GDT的几个应用特点:
1.1 通流量大,能达到上百KA。
1.2 响应时间慢。因为管内的气体电离需要时间,一般在几百nS。
1.3 绝缘电阻高,一般达到1GΩ。因此漏电流小。
1.4 寄生电容小,只有几PF,因此对高速信号影响小。
1.5 存在直流续流电压。就是导通后依靠低压依然有电流通过。
1.6 多次放电后性能下降,需要更换,因为电离的原因。
2、压敏电阻MOV
金属氧化物压敏电阻顾名思义就是电阻响应一定电压值,工作原理是通过在高压状态下进行。
插件MOV的制作:
响应波形:
主要参数:
MOV应用的几个特点:
2.1 通流量较大,一般在数十KA。
2.2 残压较高,因此需要配合其他次级保护器件。
2.3 DC漏电流小。
2.4 寄生电容较大,在nF左右,因此高速信号限制使用,交流时漏电流较大。
2.5 反应时间较快,在数十nS级别。
2.6 使用寿命较短,损坏模式短路较多。
3、热敏电阻PTC
热敏电阻主要是串在电路中进行大电流保护(这里是指过流保护用的PTC),基本原理就是过流发热导致电阻急剧增大阻断通路。高分子PTC热敏电阻是由聚合物基体和使其导电的碳黑粒子组成。由于这种材料具有一定的导电能力,因而其上会有电流通过。当有过电流通过热敏电阻时,产生的热量将使其膨胀,从而碳黑粒子将分离、其电阻将上升,而且上升速度很快。
主要参数及选型:
应用特点:
3.1 响应速度一般。
3.2 通流量一般,主要用于短路保护。
3.3 焊接时注意高温导致损坏。
4、稳压管ZENER
稳压管的工作原理就是利用PN结反向击穿时电压基本不变的特性。
主要说一说稳压二极管和普通二极管有何不同:稳压二极管在反向击穿后能够稳压在于其对击穿电流进行了限制,而且稳压二极管的斜率更陡峭。
基本参数也比较简单,主要考虑工作电压和电流,有些应用场合需要注意漏电流。

5、半导体放电管TSS

TSS是一种相对特殊的保护器件,当外加电压低于其不动作

电压VDRM时,管子的漏电流极小,相当于断路;当外电

压继续加大时,开始发生击穿(类是于二级管);当外电

压进一步加大后,管子的两端变成导通状态,相当于短

路,可以泄放很大的电流;当外电压撤去以后,管子即可

恢复断态。

应用特点:

5.1 响应快,在ns

5.2 寄生电容小

5.3 存在维持电流

5.4 漏电流很小

5.5 双向对称特性

5.6 通流量在几百A,不大。

最重要的应用注意事项是应用在有源应用中必须加限流电阻,保证系统工作电流和短路电流小于维持电流IH,否则TSS就会一直导通。

6、瞬态抑制二极管TVS

TVS可以说是EMC防护器件中最好用的器件之一,主要是响应速度快,对ESD等作用显著。


基本参数:

应用特点:

6.1 响应快 ns

6.2 漏电流较大

6.3 通流量较小

7、玻璃气体放电管SPG

玻璃放电管,将半导体Si集成在气体放电管里,使该产品集气体放电管的大浪涌电流和半导体的高速响应于一体,克服了原气体放电管响应速度慢(μs级)和半导体管耐浪涌电流弱的缺点、具有响应速度快(ns级)、耐冲击、性能稳定、重复性好和寿命长等优点,但是玻璃易碎,总体而言玻璃气体放电管处于陶瓷气体放电管和TVS之间。具体使用方式和GDT类似。

8、自恢复保险丝PPTC
自恢复保险丝在保护电路中应用很多,PPTC经过特殊处理的聚合树脂(Polymer)及分布在里面的导电粒子(Carbon Black)组成。在正常操作下聚合树脂紧密地将导电粒子束缚在结晶状的结构外,构成链状导电电通路,此时的自复保险丝为低阻状态(a),线路上流经自复保险丝的电流所产生的热能小,不会改变晶体结构。当线路发生短路或过载时,流经自复保险丝的大电流产生的热量使聚合树脂融化, 体积迅速增长,形成高阻状态(b),工作电流迅速减小,从而对电路进行限制和保护
应用要点:
9、高压电容
电容在保护应用中主要是用来处理EMC问题,利用电容的耦合特性进行高频干扰的泄放。
共模干扰和差模干扰:
电容的应用:
10、 感性器件
感性器件在电路保护中也有很多应用,如变压器,磁珠,磁环,差共模电感等。
10.1 磁珠
磁珠的主要材料是铁氧体,就是铁镁合金或者铁镍合金。典型特点就是高频损耗非常大。铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上,如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件,就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰,它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。
应用要点:
靠近保护点。
100M阻抗值。
DCR直流阻抗,影响电源线。
额定电流,在电源滤波时注意使用。
10.2 共模电感
共模电感(Common mode Choke),也叫共模扼流圈,常用于开关电源和高速差分信号中过滤共模干扰噪声。根据应用场合可以分为电源端口EMI滤波用和信号端口EMI滤波用,信号口共模电感的共模阻抗很高,但是差模阻抗比较低,可以应用在高速信号端口。
工作原理:
特性曲线:

规格参数:

二、 应用设计

上面介绍了一些常用的防护器件,那么在输入电源端口的保护中如何进行组合应用

交流220V接口的防护设计:

保险丝进行大电流保护,GDT和MOV进行浪涌保护,GDT隔离MOV避免MOV的漏电流问题。GDT导通后压降在20-50V左右,通过MOV通流,GDT漏电流小,寄生电容小。X/Y电容进行差模共模干扰滤除,共模电感也是进行共模干扰滤除。

直流输入端口的防护设计:

基本思路如上,差别主要在于参数的选择。

小结:实际上电源输入端口的防护设计看起来类型比较简单,无非就是几种防护器件的组合应用,我们实际设计中是没有标准结构的,也不可能一味的堆叠器件,因此首先还是要考虑应用场合,譬如电源端口安全隐患是否大(容易误插等),室内还是室外,电磁环境是否复杂(设备附近有大电机),以及后级电路是否敏感脆弱等。可能一个TVS就可以解决了EMC的防护问题,也可能因为系统布线等问题导致电源的传导骚扰绕过了端口等。因此解决电源端口的防护设计问题依然还是要设计加验证,仔细考虑详细的器件参数,综合评估给出方案,但是万变不离其宗,理解了基础才有长袖善舞的可能。



TAG: EMC GDT TVS tvs 电源 防护 硬件开发者

 

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