如何合理选择电路保护器件

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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、稳定性和安全性的要求也越来越高,电路保护设计的重要性也越来越强。电路保护主要是保护电子电路中的元器件在受到过压、过流、浪涌、电磁干扰等情况下不受损坏,电路保护器件则是为产品的电路及芯片提供防护的,确保在电路出现异常的情况下,被保护电路的精密芯片、元器件不受损坏。过压、过流、浪涌、电磁干扰、静电放电等一直是电路保护的重点,因此,市场中的主流电路保护器件也是以防雷/过压/过流/防静电等为主,常见的保护器件有气体放电管、固体放电管、瞬态抑制二极管、压敏电阻、自恢复保险丝以及ESD静电二极管等。工程师在选型的时候如何才能选择最佳的电路保护器件呢?

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高效的电路保护解决方案。选择适当的电路保护器件是实现高效、可靠的电路保护设计之关键的第一步,那么,如何合理选择电路保护器件? 下面将分三部分进行介绍。

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最高工作电压高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最大瞬态电压
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,最大的难点在于如何最容易地明确哪种器件可以提供最大的保护。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。

 (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最大承受电压,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最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最多的限压器件。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、AV、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最大持续工作电压值。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%。通过压敏电阻的最大浪涌电流不应超过技术规格书中的最大冲击电流值 (也就是最大通流量)。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最大电压(即安全电压)。


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效能保护器件。TVS管是和被保护电路并联的,其工作原理与稳压管一致,当瞬态电压超过电路的正常工作电压时,TVS管发生雪崩,为瞬态电流提供通路,使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。由于TVS管的PN结面积较大,使得它具有泄放瞬态大电流的优点,具有理想的保护作用。


    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、航天航空导航系统及控制系统上。最大箝位电压VC不可大于被保护设备最大的安全电压,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:
(1)确定被保护电路的最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最大工作电压。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

(2)TVS的最大箝位电压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的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流

(3)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

(4)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
    陶瓷气体放电管是防雷保护设备中应用最广泛的一种开关器件,串联于线路中,可用在交直流电源、各种信号电路的防雷,都可以用它来将雷电流泄放入大地。它是把一对放电间隙封装在充以放电介质(惰性气体)的陶瓷管中构成的。按电极数分,有二极放电管和三极放电管(相当于两个二极放电管串联)两种。其外形为圆柱形,有带引线和不带引线两种结构形式(有的还带有过热时短路的保护卡)

 

在选择陶瓷气体放电管时应注意:
(1)陶瓷气体放电管不能直接用在电源上做差模保护;
(2)击穿电压要大于线路上最大信号电频电压;
(3)耐电流不能小于线路上可能出现的最大异常电流;
(4)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,最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安全,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安全余量;这个安全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;安全认证。


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)最大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,这个值也与最大额定电压有关。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,允许接入的最大电容值就越小,反之亦然。NTC热敏电阻产品的规范一般定义了在220Vac下允许接入的最大电容值。


2)产品允许的最大启动电流值和长期加载在NTC热敏电阻上的工作电流
电子产品允许的最大启动电流值决定了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。

 

 

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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、稳定性和安全性的要求也越来越高,电路保护设计的重要性也越来越强。电路保护主要是保护电子电路中的元器件在受到过压、过流、浪涌、电磁干扰等情况下不受损坏,电路保护器件则是为产品的电路及芯片提供防护的,确保在电路出现异常的情况下,被保护电路的精密芯片、元器件不受损坏。