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浪涌防护

Surge Protection

产品电路保护的安全性越来越受到了人们的重视,加上各种法规也明确要求了产品的防雷等级,一些出口产品必须满足相应的安规认证才能获取相应的市场准入。

当然随着电路的集成化程度越来越高,各类芯片的小型化也导致了IC抗干扰能力逐渐降低,整个电路的电磁兼容就出现了问题,进而就凸显出电路保护的优势所在,比如:

在电路中设计添加小成本的电路保护器件,可有效保护成本较高的主芯片等免受瞬态干扰电压的损坏,从某种程度上降低了产品的开发成本。

在电路中设计添加保护器件,可有效提高产品可靠性,降低产品故障发生率,减少维护及维修成本。

雷电引发的损害往往对电子产品是致命的,在产品AC电源输入端加入防雷保护器件,可降低产品因雷击引发的损害,同时保护人身安全。

电力工业行业中有很多谐波过滤产品,用于保护电源系统不受外来干扰,保持良好的电路系统。但是问题在于主要的高频谐波干扰(90%)是设备本身产生的,这些由设备本身产生的干扰电源会相互干扰、冲击和损坏设备,造成电耗增加,设备使用率降低,故障频繁,从而增加了成本,而主要电路保护不能防止这些损害。

浪涌防护器的种类很多,一般情况下采用如下图“多级防护、逐级消减”的模式进行系统级的浪涌保护:


  第一级防护其中第一级防护为最容易引入雷电的端口,如建筑进线口、AC电源输入端口等,一般根据应用场合选取不同类型大通流保护器件。

  电源端口的第一级防护一般选用钳位型大通流保护器件。电源端口是为系统提供能量的端口,具有较高的电压或较大的电流,若在电源端口选用开关型保护器件,保护时由于开关型器件导通电压较低,本身影响系统的供电电压,另一方面系统电压有可能会维持其一直处于导通状态不能正常断开,系统长时间通过较大的电流(如安培级电流)可能对电路板造成致命伤害,甚至引起火灾。

  针对电源端口第一级钳位型过电压保护器件,一般选取金属氧化物压敏电阻(MOV)、超大功率 TVS(hyperfix)、或由这几种器件组合而成的防雷模块(SPD)等。

  信号端口的第一级防护一般采用气体放电管,如 GDT、SPG、TSS、信号类防雷模块(SPD)等。低速信号端口也可选择钳位型器件进行第一级防护,但前提是钳位型器件的结电容不能影响通信线路的正常通信。


  第二级保护与第一级保护类似,一般选用反映速度快钳位电压低的TVS、ESD等。


  退耦元件:由于第一级防护器件与第二级防护器件采用的过电压保护器件种类不同,击穿电压大小不同,响应时间不同,所以要在两级过电压保护器件之间加退耦元件才能保证两级过电压保护器件协同工作。退耦元件要求有一定的阻抗才能起到退耦的作用。

  退耦器件的工作原理如图,一般第二级过电压保护器件采用响应速度较快的小通流低压器件,浪涌电压冲击时会先导通,退耦器件具有一定的内阻,经过大浪涌电流时,会将退耦元件之前(图A点)的电压提高到第一级过电压元件的击穿电压之上,第一级元件导通后可泄放大浪涌电流,从而分担了第二级保护器件的压力。如果两级过电压保护器件之间不加退耦器件,这样第二级保护器件就会一直处于先导通状态,当浪涌电流超过第二级元器件的额定冲击浪涌电流时时便会使其损坏。

  各类保护器件性能比较:

MOV、GDT和SPG具有较大的通流量,SPG最大达3㎄,MOV可达70㎄,GDT可达100㎄,一般用于一级电路防护。

TSSTVSESD为硅基材料器件,半导体工艺制成,具有较精准的击穿电压,快速响应速度等优点,一般用于二级电路防护。

Hyper-fix为超大功率TVS,具有MOVTVS的优点,如精准的击穿电压,超大浪涌冲击电流,快速响应速度等,可替代MOV应用于AC电源输入端作为一级防护。


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