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电路保护应用
 

保护器件

市场上有一系列对电子系统起保护作用的产品。下面表1简单描述了各种产品的特征。

表1 不同保护产品的优缺点

类型   极性 钳位/消弧 保护机制
气体放电电子管 GDT 双向 消弧 高压时气体的分解
晶闸管浪涌保护器件 TSPD 双向或单向 消弧 藕合双极晶体管的导通
聚合体ESD保护器件 PESD 双向 消弧 聚合体微粒之间的电弧放电
金属氧化物压敏电阻 MOV 双向 钳位 陶瓷/氧化锌晶粒非线性电阻
瞬态电压抑制器 TVS 双向或单向 钳位 正向和方向偏置二极管导通

单向和双向保护

只有正或者负电压节点的保护需求跟那些即可以正也可以负电压节点的保护是不同的。通过单项的和双向的保护元件来解决这个问题。用TVS设备作为例子我们可以容易的解释。

图1表示一个输入当中进行单向和双向的TVS保护的一个例子。一个单向TVS设备的I-V关系曲线跟一个标准二极管的I-V关系曲线很相似。如果一个单向的TVS接入到如图一所示的电路当中,假如信号电压保持在0 V和反击穿电压之间,那么它将会失真。对于负电压应力,单向TVS由TVS的正向偏压保护。对于在信号线上的正电压应力,TVS由反击穿偏压保护。如果信号的范围在0 V和负电压之间,那么单向的TVS器件可以反向插入。

图1:I-V关系曲线,单向和双向TVS装置中的符号

一个双向TVS作用相当于两个反平行二极管。如果一个双向TVS装置用于如图1当中的保护设备,输入电压可以在正负值之间变化。反向击穿偏压提供保护,在串联中由前向偏压二极管连接在两端。

钳位和消弧保护器件

保护器件的另一类是钳位/消弧保护器件。其中TVS器件是钳位器件,因为一个激励突发时,TVS器件会钳制电位到一定值达到保护的目的;而当一个激励触发时,消弧保护器件通常是产生一个短路通道来实现保护目的。图2是二者原理的示意图。

图2:双向消弧保护器件(黑色)和单向钳位保护器件(红色)的I-V曲线

消弧保护器件在保护应用中是非常有效。消弧保护器件有着非常低的导通压降,这样可以使得其电压低于敏感电子器件的临界电位;并且由于过压保护器件本身超低的功耗,其可以承受很大的电流而不会由于大电流对自己损坏。我们在用消弧保护器件的时候必须小心。可以用来维持消弧保护器件的最低的电流和电压点是一个很重要的参数并且我们经常称之为保持点,如图2所示。如果受保护的电气节点可以提供电压和电流在保持点的水平,在电气应力消除后一个消弧保护器件也可能不会关闭。仔细选择消弧保护器件是必须的或者预先做好准备以保证在应力消除时关闭保护和在正常操作期间不打开。

电压钳位保护器件在应力时不会发生不关闭的问题,但是他们也要仔细选择。以反向偏置方向保护的电压钳位保护器件自身内部会产生相当可观的功耗。钳位保护器件在导通状态时需要非常低的动态阻抗,以保证在传输大电流时,电压不会超过敏感元件允许的电平。

保护器件技术

气体放电电子管主要靠在密封容器里一种气体的衰弱,是固有的一种双向过压保护器件。它们限制相对过高的起始工作电压,但是可以承受相当大的电流并且通常应用在初级保护。

压敏电阻这个术语是“变化的”和“电阻器”两个单词的结合体。在低电流电压下,压敏电阻具有高阻抗但是在更高的电压电流下,阻抗会急剧地下降。阻抗体现在氧化锌颗粒构成的陶瓷上。压敏电阻通常是双向的电压钳位器件。

聚合体ESD 器件由充满导电粒子的聚合体组成。在粒子间的高电压电弧会造成低阻抗,以导致电压的下降。聚合体设备是双向过压保护器件。

晶闸管是有N型和P型掺杂的基于硅材料的多极性开关,可以形成双极性晶体管。当双极性晶体管被触发时,它们呈现连续的低阻抗状态。晶闸管本质上是单向的过压保护器件。基本的晶闸管已经衍生出了多种双向和单向的产品。

瞬态电压抑制器(TVS)是基于雪崩和被设计来处理大电流抑制的稳压二极管。单一的二极管本质上是单向的钳位设备。但是TVS器件是为了针对类似于集成电路的问题而制造的,为生产多种双向、单向、多极的保护元件提供了可能。TVS器件可以应用在要求多信号线保护、简单、小体积的场合。

表 2 保护器件的优点和缺点

类型   速度 电压准确性 电流承受力 电路板尺寸 最小触发电压 损坏
大功率浪涌保护系列- 8x20 µs, 10x1000 µs, 等等。
气体放电电子管 GDT 一般 75V
晶闸管浪涌保护器件 TSPD 一般 80V
瞬态电压抑制器 TVS 未知
金属氧化物压敏电阻 MOV 一般 未知
高速的浪涌保护系列 – ESD (IEC61000-4-2)
聚合体器件 PESD ~100V
金属氧化物压敏电阻 MOV 一般 未知

基于硅的ESD保护器件

TVS 未知

 

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