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三级浪涌防护及退耦设计

浪涌(surge)也叫突波、瞬变(voltagetransient),是电路短路、电源切换或大型发动机开关机引起的电流瞬间超出稳定值峰值的突发现象,一般指发生在几百万分之一秒时间内的一种尖峰脉冲,通常包括浪涌电压和浪涌电流。

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浪涌防护原理


浪涌的危害性非常大,可使电路瞬间烧坏,而浪涌保护就是利用线性元器件对高频(浪涌)的敏感设计的保护电路,简单而常用的是并联大小电容和串联电感。对于商用设备,一般通过含有浪涌阻绝装置的产品吸收突发的尖峰能量,保护连接设备免受浪涌损害。


在电路设计中,一般遵循“多级防护、逐级削减”的原则,组合使用多种保护元器件方案,实现系统级、高可靠的浪涌防护。


第一级保护


大多数防护电路中,第一级是最容易引入雷电等尖峰的端口。


对于建筑物进线口、AC电源输入端口等应用,这些场合选取气体放电管等大通流保护器件,如GDT、SPG、TSS、信号类防雷模块(SPD)等。在直流电路可以适用高灭弧电压的GDT,类似雷卯电子的2R350-8LH,可以用于DC24V的直接跨接,


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浪涌两级保护方案


对于电源端口场合,1648642514549019.png第一级防护一般选用能够承受较高电压或较大电流的箝位型大通流保护器件。若在电源端口选用开关型保护器件,过电压时开关型器件导通后电压较低,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A级电流)可能对电路板造成致命伤害,甚至引起火灾。



MOV加GDT保护方案


针对电源端口第一级箝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。当然,低速信号端口也可选择箝位型器件进行第一级防护,但前提是箝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


第二级防护与第一级防护类似,一般选用反应速度快箝位电压低的TVS、ESD等。


在第二级,过于突出的尖峰脉冲已经被第一级削掉,只剩下小于第一级阈值的干扰信号、EMI以及二次产生的噪声。其中,ESD专为门防静电元件,由多个二极管或TVS组合而成,适用于高速数据线路ESD防护,如HDMI、USB3.0、IEEE1394等。


退耦元器件


退耦元件具有一定阻抗,作用是保证两级过电压保护器件协同工作。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,只好通过退耦元件进行匹配。


设计中,第二级过电压保护器件一般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能力时便会使其损坏。


选择退耦器件时,要根据线路的工作电流大小来选取,如一些信号电路工作电流较小,在保证其正常通信的情况下可选取功率型电阻自恢复保险丝(PPTC),退耦电阻一般选取10Ω以内。从浪涌防护角度看,退耦电阻越大越好,但也不能太大,否则会影响线路正常工作电流,需要工程师在电路设计时综合考虑。


对于一些输入电流较大的低频线路,可选用电感来进行退耦,电感阻抗的计算公式为Z=2πfL,当确定好退耦阻抗值后,可从公式中计算出所用电感的大小。


单TVS防护方案


在类似5G基站的防雷设计电路上,对电力的VC箝位电压要求非常高,也可以采用单TVS的保护方案,使用的是雷卯电子的AK系列TVS,类似AK10 AK15 防护10KA级别的TVS,这类方案的特点是残压很低。


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上面只是一些基本思路,实际应用中要根据每种电路保护元件的特点,取长补短搭配选用,这样才能获得高性价比的电路保护方案,为用户提供高可靠、高性能的电子电子产品,在激烈的市场竞争中获得先机。






THE END
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