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电路保护器件如何合理选择?

腾达炜业、电路板、PCB厂家、电路板厂家 发表时间:2017-05-05
  随着电子系统的复杂性和集成度越来越高,而工作电压越来越低,电子系统对可靠性、稳定性和保护的要求也越来越高,电路保护设计的重要性也越来越强。在电路保护设计中,电路保护器件的选择和应用是否合理,将直接影响电子系统电路保护方案的保护效果。
  为了帮助工程师正确选择电路保护器件,合理应用电路保护器件设计合理有效的电路保护解决方案,下面将分三部分进行介绍:
  一部分介绍常见的电路保护器件之选型技巧;
  二部分分析保险丝、瞬态电压抑制器、ESD保护器件、防雷保护器件等的 实际应用方案;
  三部分讨论电路保护器件,整理出电路保护设计过程中较常遇到的难题Q&A。
  电路保护主要有三种形式:过压保护、过流保护和过温保护。
  选择适当的电路保护器件是实现效果明显、可靠的电路保护设计之关键的一步,那么,如何合理选择电路保护器件?
  不同的保护器件其保护原理也各有不同,选择的时候应结合其保护原理、工作条件和使用环境来考虑。
  本文将介绍常用的几种过压、过流和过温保护器件之选型技巧,帮助工程师正确选择电路保护器件。
  1. 过压保护器件的选型要点
  过压保护器件(OVP)用于保护后续电路免受甩负载或瞬间高压的破坏,常用的过压保护器件有压敏电阻、瞬态电压抑制器、静电抑制器和放电管等。过压保护器件选型应注意以下四个要点:
  1)关断电压Vrwm的选择。一般关断电压至少要比线路较高工作电压高10%
  2)箝位电压VC的选择。VC是指在ESD冲击状态时通过TVS的电压,它必须小于被保护电路的能承受的较大瞬态电压
  3)浪涌功率Pppm的选择。不同功率,保护的时间不同,如600w(10/1000us);300W(8/20us)
  4)极间电容的选择。被保护元器件的工作频率越高,要求TVS的电容要越小
  1.1 ESD抑制器
  选择合适的ESD保护器件,难点在于如何快速地明确哪种器件可以提供较好的保护。系统供应商一般是通过数据手册上的ESD额定值(或标称值)来比较ESD保护器件的好坏。事实上,从这些额定值根本看不出器件保护系统的能力有多强,关键取决于其二极管参数。主要的参考系数应该是:
  快速响应时间
  低箝位电压
  高电流浪涌承受能力
  选择ESD器件应该遵循下面的要求:
  (1)选择静电保护器件注意:
  €€ 箝制电压不要超过受保护器件的承受电压
  €€ 电路电压不超过保护器件工作电压
  €€ 低电容值、漏电流尽可能的减少干扰及损耗
  (2)静电保护器件尽量安装在接近静电输入的地方,远离被保护器件
  (3)静电保护器件一定接的大地线,不是数字地线
  (4)回地的线路尽量的短,静电保护器件与被保护线路之间的距离尽量的短
  (5)尽量避免被保护与未被保护线路并排走线
  1.2压敏电阻
  压敏电阻是一种用得较多的限压器件。广泛的应用在汽车电子、通迅、计算机、消费类电子产品、军用电子产品等方面,特别是在LCD、键盘、I/O 接口、IC、MOSFET、CMOS、传感器、手机、DVD、ABS、马达控制板、MP3、PDA、USB接口及高速数据信号线路上进行保护等。
  压敏电阻选用时应注意的是:连续施加在压敏电阻两端的电源电压,不能超过规格表中列出的€€°较大持续工作电压€€±值。还要充分考虑到电网(或电路)工作电压的波动幅度, 选取压敏电阻的压敏电压值时,要留有足够的余量。国内一般的波动幅度为30%。通过压敏电阻的浪涌电流不应超过技术规格书中的€€°较大冲击电流€€±值 (也就是较大通流量)。考虑到要耐受多次冲击时,应该选用能耐受10次以上冲击的浪涌电流值。 压敏电阻的箝位电压必须小于被保护的部件或设备能承受的电压。
  1.3 瞬态电压抑制器TVS
  瞬态电压抑制器(TVS)是一种二极管形式的高能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-12秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。
  瞬态电压抑制二极管(TVS)广泛应用在半导体及敏感的电子零件过电压、ESD保护上,主要包括:消费类产品、工业产品、通讯、电脑、汽车、电源供应品、信号线路保护及军事、导航系统及控制系统上。箝位电压VC不可大于被保护设备较大的允许电压,以及反向工作电压(反向断态电压)须大于线路正常工作电压,是使用TVS管时必须注意的问题,另外, 交流电压只能用双向TVS。
  TVS管的选用应注意以下几点:
  确定被保护电路的较大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端”容限。
  TVS额定反向关断VWM应大于或等于被保护电路的较大工作电压。若选用的VWM太低,器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。串行连接分电压,并行连接分电流。
  TVS的高箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。
  在规定的脉冲持续时间内,TVS的高峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。
  对于数据接口电路的保护,还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。
  根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。
  温度考虑。瞬态电压抑制器可以在-55~+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度 工作,由于其反向漏电流IR是随增加而增大;功耗随 TVS结温增加而下降,从+25℃到+175℃,大约线性下降50%雨击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此,必须查阅有关产品资料,考虑温 度变化对其特性的影响
  1.4 陶瓷气体放电管
  陶瓷气体放电管属于开关组件,用于电源防雷器共模电路中将雷电流泄放入地,也可用在差模电路中与压敏电阻串联而阻断其漏电流。在信号防雷器中常用于一级泄放浪涌电流,由于其反应速度慢,还要用二级作限压保护。
  在选择陶瓷气体放电管时应注意:
  陶瓷气体放电管不能直接用在电源上做差模保护;
  击穿电压要大于线路上强信号电频电压;
  耐电流不能小于线路上可能出现的较大异常电流;
  还有脉冲击穿电压须小于被保护线路电压。
  2. 过流保护器件的选型
  过流保护器件主要有一次性熔断器、自恢复熔断器、熔断电阻和断路器等,其中,特别重要的过流保护器件是熔断器,也叫保险丝。它一般串联在电路中,要求其电阻要小(功耗小),当电路正常工作时,它只相当于一根导线,能够长时间稳定的导通电路;由于电源或外部干扰而发生电流波动时,也应能承受一定范围的过载;只有当电路中出现较大的过载电流(故障或短路)时,熔断器才会动作,通过断开电流来保护电路的可靠性,以避免产品烧毁的危险。
  在熔断器分断电路的过程中,由于电路电压的存在,在熔体断开的瞬间会发生电弧,高质量的熔断器应该尽量避免这种飞弧;在分断电路后,熔断器应能耐受加在两端的电路电压。熔断器受脉冲损伤会逐步降低承受脉冲的能力,选用时需要考虑必要的保险余量;这个保险余量是指熔断器的总熔断(动作)时间,它是预飞弧时间和飞弧时间之和。所以在选择的时候需要留意它的熔断特性和额定电流这个基本条件;另外安装时要考虑熔断器周边的环境,熔断器只有达到本身的熔化热能值的时候才会熔断,如果是在环境较冷的状况下,它的熔断时间会变化,这是使用时必须留意的。
  总的来说,保险丝的选型应注意以下十个要素:
  额定电流;
  额定电压;
  环境温度;
  电压降 / 冷电阻;
  熔断特性: 过载能力,时间 / 电流特性;
  分断能力;
  熔化热能值;
  耐久性(寿命);
  结构特征: 外形 / 尺寸,安装形式;
  保险认证
  结合以上的十个保险丝选用注意要素,保险丝的选用可根据下图所示的流程来进行。
  3. 过温保护器件的选型
  过温保护器件主要有热敏电阻、温度开关和温度熔断器等。在电源设计中经常使用NTC热敏电阻型浪涌抑制器作过温保护,因为其抑制浪涌电流的能力与普通电阻相当,但在电阻上的功耗则可降低几十到上百倍。
  NTC热敏电阻,即负温度系数热敏电阻,其特性是电阻值随着温度的升高而呈非线性的下降。NTC热敏电阻的选型要考虑以下几个要点:
  1)额定电压和滤波电容值
  滤波电容的大小决定了应该选用多大尺寸的NTC。对于某个尺寸的NTC热敏电阻来说,允许接入的滤波电容的大小是有严格要求的,这个值也与较大额定电压有关。在电源应用中,开机浪涌是因为电容充电产生的,因此通常用给定电压值下的允许接入的电容量来评估NTC热敏电阻承受浪涌电流的能力。简单来说,就是输入电压越大,允许接入的电容值就越小,反之亦然。NTC热敏电阻产品的规范一般定义了在220Vac下允许接入的电容值。
  2)产品允许的启动电流值和长期加载在NTC热敏电阻上的工作电流
  电子产品允许的启动电流值决定了NTC热敏电阻的阻值。产品正常工作时,长期加载在NTC热敏电阻上的电流应不大于规格书规定的电流。
  来源:网络

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