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三大常见电路保护器件

2016-07-11
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 电路保护主要有两种形式:过压保护和过流保护。选择适当的电路保护器件是实现高效、可靠电路保护设计的关键,涉及到电路保护器件的选型,我们就必须要知道各电路保护器件的作用。在选择电路保护器件的时候我们要知道保护电路不应干扰受保护电路的正常行为,此外,其还必须防止任何电压瞬态造成整个系统的重复性或非重复性的不稳定行为。

  电路保护最常见的器件有三:GDT、MOV和TVS。

  GDT(陶瓷气体放电管)

  在正常的工作条件下,一只GDT的并联阻抗约为1TΩ ,并联电容为1pF以下。当施加在GDT两端的电势低于气体电离电压(即“辉光”电压)时,GDT的小漏电流(典型值小于1 pA)和小电容几乎不发生变化。一旦GDT达到辉光电压,其并联阻抗将急剧下降,从而电流流过气体。不断增加的电流使大量气体形成等离子体,等离子体又使该器件上的电压进一步降低至15V左右。当瞬变源不再继续提供等离子电流时,等离子体就自动消失。GDT的净效果是一种消弧作用,它能在1ms内将瞬变事件期间的电压限制在大约15V以下。GDT的一个主要优点是迫使大部分能量消耗在瞬变的源阻抗中,而不是消耗在保护器件或被保护的电路中。GDT的触发电压由信号电压的上升速率(dV/dt)、GDT的电极间隔、气体类型以及气体压力共同确定。该器件可以承受高达20 kA的电流。

  GDT有单极和三极两种形式。三极GDT是

  一个看似简单的器件,能在大难临头的关键时刻保持一个差分线对的平衡:少许的不对称可以使瞬变脉冲优先耦合到平衡馈线的某一侧,因而产生一个巨大的差分信

  号。即使瞬变事件对称地发生在平衡馈线上,两个保护器件响应特性的微小差别也会使一个破坏性的脉冲振幅出现在系统的输入端上。三极GDT在一个具有共用气体容积的管内提供一个差分器件和两个并联器件。造成一对电极导通的任何条件都会使所有三个电极之间导通,因为气体的状态(绝缘状态、电离状态或等离子状态)决定了放电管的行为。

  MOV(压敏电阻)

  它是一种是随电压而变化的非线性电阻器。烧结的金属氧化物形成一种犹如两个背对背串接的齐纳二极管的结构。在正常工作情况下,MOV的典型漏电流为10 mA量级,并联电容约为45 pF。电压升高到超过MOV阈值,就会使其中一个分布式齐纳二极管产生雪崩,因而使该器件对被保护的节点进行箝位。不断增加的电流最终使器件两端的电压上升——这是大多数批量材料都有的一个限制因素。

  作为一种箝位器件,MOV能大量吸引瞬变能量,而气体放电管则将瞬变能量耗散在瞬变源阻抗以及瞬变源与被保护节点之间的电阻中。在容许MOV的漏电和并联电容的应用场合(如电源、POTS和工业传感器),MOV可配合GDT,对闪电引起的瞬变进行良好的二次防护,因为MOV的触发速度要比气体等离子体避雷器快一个数量级。反复出现的过热应力的累积会使MOV过热,降低其性能。因此,务必仔细分析你打算支持的瞬变规范,确定你要求MOV吸收的总能量和最坏情况下的瞬变重复率,保守地制定器件的规格。

  TVS(瞬变电压抑制器)

  一个TVS的并联电容通常只有几十皮法,但有些新的TVS的并联电容增加了不到10 pF。电压最低的TVS,其漏电流往往为100mA以上,而工作电压为12V以上的TVS,其漏电流则为5mA以下。

  当前TVS的发展趋势是提高集成度,支持高密度便携设备。在芯片尺寸封装中包含多个器件,使节点间隙更好地匹配被保护的IC或接口连接器。集成的TVS与EMI滤波器可在一个封装内完成两个关键任务,并可简化通过I/O口布放总线的工作。多个TVS封装因其小巧而成为高密度组件中最常见的保护器件。

  GDT/MOV/TVS的比较

  压敏电阻的响应时间为ns级,比空气放电管快,比TVS管稍慢一些,一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。压敏电阻的结电容一般在几百到几千Pf的数量级范围,很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中,应用在交流电路的保护中时,因为其结电容较大会增加漏电流,在设计防护电路时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量较大,但比气体放电管小。具体可分为以下四点:

  在反应时间上,压敏电阻介于TVS管和气体放电管之间,TVS管为皮秒级,压敏电阻略慢,为纳秒级;而气体放电管最慢,通常为几十个纳秒甚至更多。

  在通流容量上,压敏电同样介于TVS管和气体放电管之间,TVS管通常只有几百A;而压敏电阻按不同规格,可通过数KA到数十KA的单次8/20μS浪涌电流;而对于气体放电管来说通常10KA级别8/20μS浪涌电流可导通数百次。

  从原理上看,TVS管基于二极管雪崩效应;压敏电阻器基于氧化锌晶粒间的势垒作用;而气体放电管则是基于气体击穿放电。

  在电压范围方面,TVS管通常为5.5V到550V;压敏电阻的范围较宽,可从10V到9000V;而气体放电管可从75V到3500V。

  这三种器件各有各的绝技,如何选择,就看你想要防止的损害是什么了,而且在具体的防护方案设计时,并没有规定说只能选择一种防护器件。FAE工程师完全可以根据实际的防护应用,将这三大主力电路保护器件组合使用,相信其叠加的防护能力一定优于单独使用的防护等级。小硕来举个例子:在电源系统的防雷保护电路中,采用压敏电阻与陶瓷气体放电管配合使用的方案很多,特别是在铁路、通信系统已被广泛使用。压敏电阻与陶瓷气体放电管配合使用的保护电路尽管有许多优点,例如:降低残压、控制压敏电阻的劣化等,但在使用过程中如果电路设计或元件选型存在问题,可能会导致保护电路出现燃烧、爆炸等故障,影响系统的正常运行,因此在选型环节,

  工程师一定要进行多次模拟测试,从而实现防护方案的可靠性和实用性。

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