協(xié)同電路保護(hù)方案使通信設(shè)備免受損害

  在通信設(shè)備的正常使用過程中，由于惡劣的電磁環(huán)境可能造成個(gè)別元器件的損壞，導(dǎo)致通信設(shè)備不能正常工作，造成重大損失。為了確保通信設(shè)備的安全，通常在通信設(shè)備中設(shè)計(jì)有關(guān)保護(hù)電路。常用的保護(hù)器件按工作原理劃分，主要有過電壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫度保護(hù)和EMI保護(hù)等幾大類。根據(jù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的不同方法，相同功能的保護(hù)器件也有不同種類可供選用。在實(shí)際運(yùn)用中，為了確保滿足設(shè)備的保護(hù)和可靠性要求，保護(hù)電路往往采用多重協(xié)同保護(hù)（多級(jí)保護(hù)）。

  通信設(shè)備電路的保護(hù)

  瞬態(tài)干擾的特點(diǎn)是作用時(shí)間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。在通信設(shè)備的正常使用過程中，交流電網(wǎng)和通信線路上會(huì)出現(xiàn)雷擊浪涌電壓、火花放電等EMI瞬態(tài)干擾信號(hào)。當(dāng)瞬態(tài)電壓疊加在控制系統(tǒng)的輸入電壓上，使輸入通信設(shè)備系統(tǒng)的電壓超過系統(tǒng)內(nèi)部器件的極限電壓時(shí)，便會(huì)損壞通信設(shè)備的電源；當(dāng)瞬態(tài)電壓疊加在通信線路上時(shí)，瞬間高壓便會(huì)損壞信號(hào)環(huán)路中傳輸、控制的元器件。另外，由于電力線搭碰、感應(yīng)，通信電路上有可能出現(xiàn)持續(xù)的過電壓、過電流，如不加保護(hù)也有可能損壞通信電路或器件，甚至造成火災(zāi)和生命財(cái)產(chǎn)損失。所以，必須采用恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，對(duì)通信系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行防護(hù)。

  通信設(shè)備電路常用保護(hù)器件與工作特性

  過電壓保護(hù)器件通常有高阻抗特性，當(dāng)電壓達(dá)到它的過電壓保護(hù)值以上時(shí)，就轉(zhuǎn)換到低阻抗；一旦過電壓故障消失，保護(hù)器件會(huì)返回到高電阻狀態(tài)，是一種可恢復(fù)器件。常用的過電壓保護(hù)器件有SiBar（半導(dǎo)體晶閘管浪涌保護(hù)器件）、TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）、MOV（金屬氧化物可變電阻）、和GDT（氣體放電管）等。

  相反，過電流保護(hù)元件通常有低阻抗特性，當(dāng)通過它的電流達(dá)到過電流保護(hù)值以上時(shí)，轉(zhuǎn)換到高阻抗。常用的過電流保護(hù)器件有WHPPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（聚合物正溫度系數(shù)）、CPTC（陶瓷正溫度系數(shù)）等，它們的共同特點(diǎn)是可重置，而不像保險(xiǎn)絲為一次性的不可恢復(fù)器件。可恢復(fù)過電流保護(hù)元件的優(yōu)勢(shì)很明顯，一旦過電流故障消失，保護(hù)器件冷卻后會(huì)返回到低電阻狀態(tài)。

  1.過電壓保護(hù)器件SiBar

  過電壓保護(hù)器件按工作原理可以分為鉗位型過電壓保護(hù)器件和折返式過電壓保護(hù)器件，常用的鉗位型過電壓保護(hù)器件有MOV（MetaloxideVaristors）和二極管，而折返式過電壓保護(hù)器件有GDT和可控硅過電壓保護(hù)器件。折返式過電壓保護(hù)器件的I/V曲線如圖1所示，它較鉗位型過電壓保護(hù)器件具有體積小和功耗低的優(yōu)點(diǎn)。SiBar就是一種基于N型半導(dǎo)體的折返式可控硅浪涌電壓過電壓保護(hù)器件（TSP）。

圖1 折返式過電壓保護(hù)器件的I/V曲線

 

  SiBar在浪涌電壓超過擊穿電壓時(shí)起分流的作用。當(dāng)浪涌電壓超過擊穿電壓時(shí)，SiBar工作在保護(hù)特性曲線的低阻區(qū)，形成一個(gè)低阻通路，有效地降低過電壓。SiBar器件保持低阻狀態(tài)直到流過該器件的電流下降到低于保持電流。在過電壓事件過去之后，SiBar器件自動(dòng)恢復(fù)到高阻狀態(tài)。

  2.瞬態(tài)電壓抑制器

  2.1.瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理

  瞬態(tài)電壓抑制器的電路符號(hào)與普通穩(wěn)壓二極管相同，縮寫為TVS。它的正向特性與普通二極管相同，反向特性與典型的PN結(jié)雪崩器件相同。在浪涌電壓的作用下，瞬態(tài)電壓抑制器兩電極之間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VFM上升到擊穿電壓VBR，產(chǎn)生擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過瞬態(tài)電壓抑制器的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP，在其兩端的電壓被鉗位到最大鉗位電壓VC以下。

  然后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，瞬態(tài)電壓抑制器兩電極間電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)，這就是瞬態(tài)電壓抑制器抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的工作過程。

  目前，瞬態(tài)電壓抑制器已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信設(shè)備、交/直流電源、汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表（電度表）、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數(shù)字照相機(jī)的保護(hù)、共模/差模保護(hù)、RF耦合/IC驅(qū)動(dòng)接收保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。

  瞬態(tài)電壓抑制器主要有反向斷態(tài)電壓（截止電壓）VRWM與反向漏電流IR、擊穿電壓VBR、脈沖峰值電流IPP、最大鉗位電壓VC、脈沖峰值功率Pm、穩(wěn)態(tài)功率PO和極間電容Cj等參數(shù)。

  2.2.瞬態(tài)電壓抑制器的分類

  瞬態(tài)電壓抑制器按極性可以分為單極性和雙極性兩種，單向瞬態(tài)電壓抑制器的特性與穩(wěn)壓二極管相似，雙向瞬態(tài)電壓抑制器的特性相當(dāng)于兩個(gè)穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)。

  按用途，瞬態(tài)電壓抑制器可以分為通用型瞬態(tài)電壓抑制器和特殊電路適用的專用型瞬態(tài)電壓抑制器。如果按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分，瞬態(tài)電壓抑制器又可以分為軸向引線、雙列直插瞬態(tài)電壓抑制器陣列（適用多線保護(hù)）、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

  3.金屬氧化物可變電阻

  金屬氧化物可變電阻（MOV）是一種陶瓷元件，其應(yīng)用越來越廣泛。它是由氧化鋅微粒組成的多晶半導(dǎo)體過電壓抑制器件，典型應(yīng)用產(chǎn)品是氧化鋅壓敏電阻。利用其良好的伏安特性可以將沖擊電壓限制在一定范圍內(nèi)。其主要技術(shù)參數(shù)有通電流能力、沖擊擊穿電壓和殘電壓。

  金屬氧化物可變電阻能承受較大的電流沖擊，具有較快的響應(yīng)速度，可達(dá)到毫微秒級(jí)，價(jià)格較便宜。金屬氧化物可變電阻的不足之處在于它的體積和電容值較大，存在一定的漏電流，如果質(zhì)量不好，漏電流將逐漸增大甚至損壞；同時(shí)金屬氧化物可變電阻的殘電壓較高，鉗位效果較差。沖擊電流越大，鉗位電壓就越高，反復(fù)沖擊耐受能力差，它多次受沖擊后工作特性變壞，會(huì)影響到其使用效果和工作壽命。

  4.氣體放電管

  氣體放電管（GDT）是把一對(duì)放電間隙封裝在充以放電介質(zhì)（如惰性氣體）的玻璃或陶瓷中的器件。常用氣體放電管的沖擊擊穿電壓在一百多伏到幾千伏，一旦沖擊過電壓達(dá)到?jīng)_擊擊穿電壓時(shí)，氣體放電管內(nèi)的氣體電離，其由原來的開路狀態(tài)變?yōu)榻贫搪窢顟B(tài)。

  由于氣體放電管可以容納較高的脈沖電流、電容較低，但脈沖電壓擊穿滯后較多，一般用氣體放電管作為第一級(jí)保護(hù)元件，常用的氣體放電管的外形如圖2所示。
 

圖2 常用氣體放電管的外形圖

  5.正溫度系數(shù)（PTC）電阻器

  實(shí)用中，正溫度系數(shù)（PTC）電阻器可用于過電流/過溫度保護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)合，是一種限電流固態(tài)元件。PTC電阻器在正常溫度下呈現(xiàn)歐姆特性，當(dāng)超過一個(gè)特定溫度以后，電阻值急劇上升10⁴～10⁶倍。當(dāng)故障排除之后，PTC電阻器能自動(dòng)恢復(fù)到低電阻狀態(tài)，重新接通電路，因此使用中不需要維護(hù)。使用中，PTC元件和被保護(hù)電路串聯(lián)連接，當(dāng)電路中的電流迅速增加時(shí)，PTC的電阻迅速增加，從而限制電路過電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)對(duì)象的保護(hù)，這一過程被稱之為PTC的“動(dòng)作效應(yīng)”。

  PTC按材料構(gòu)成又可以分為WHPPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲和CPTC兩大類，WHPPTC為聚合物正溫度系數(shù)電阻器，CPTC為陶瓷正溫度系數(shù)電阻器。WHPPTC器件是一種較新的技術(shù)，它克服了陶瓷器件的缺點(diǎn)，具有體積小、電容小、動(dòng)作快的特點(diǎn)。

  WHPPTC由聚合物原料摻合導(dǎo)電顆粒制成的，如圖3所示。在正常溫度下，原材料結(jié)晶狀結(jié)構(gòu)將導(dǎo)體顆粒緊密束縛在一起，形成多個(gè)低電阻通路。當(dāng)大電流通過或周圍環(huán)境溫度升高導(dǎo)致WHPPTC元件的溫度高于動(dòng)作溫度時(shí)，聚合物中的晶體融化而變成無規(guī)律排列，體積微膨脹、低電阻通路斷開，導(dǎo)致電阻迅速增加。
 

圖3 聚合物PTC的結(jié)構(gòu)圖
 

  WHPPTC的工作原理如圖4所示。圖4中的點(diǎn)1溫度較低，產(chǎn)生的熱和散發(fā)的熱達(dá)到平衡。但是，當(dāng)電路中流過較大的電流或產(chǎn)生過多的熱時(shí)，使WHPPTC元件的溫度升高，不過，若電流或環(huán)境溫度增加不顯著，WHPPTC元件產(chǎn)生的熱可以散發(fā)到外部環(huán)境中，從而在點(diǎn)2達(dá)到平衡。

  當(dāng)電流或環(huán)境溫度再增加時(shí)，WHPPTC元件的溫度會(huì)再達(dá)到一個(gè)更高的溫度，如圖3中的點(diǎn)3，此時(shí)如果電流或環(huán)境溫度再進(jìn)一步增加，WHPPTC元件產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)出去的熱量，使得其溫度迅速增高。在這個(gè)階段，很小的溫度變化就會(huì)產(chǎn)生很大的阻值變化，這一現(xiàn)象可從圖3中的點(diǎn)3到點(diǎn)4之間的變化看出。這時(shí)WHPPTC元件處于保護(hù)動(dòng)作狀態(tài)，其阻值升高限制了通過電路中的電流，從而實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)功能。當(dāng)溫度回降到正常溫度時(shí)，WHPPTC元件又回到低電阻狀態(tài)。
 

圖4 WHPPTC的溫度與阻值變化曲線
 

  圖5表示W(wǎng)HPPTC高分子聚合開關(guān)元件過電流/過溫度后，當(dāng)過電流/過溫度故障消除后，WHPPTC元件阻值的恢復(fù)曲線?？梢娂词谷舾尚r(shí)后，WHPPTC元件的阻值仍然大于初始阻值，電阻的減降將需持續(xù)一段較長(zhǎng)的時(shí)間，最終電阻才會(huì)接近初始電阻，這個(gè)時(shí)間可能是幾天、幾個(gè)月或更久。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，要使WHPPTC元件的阻值恢復(fù)到初始值是不現(xiàn)實(shí)的。所以在選用WHPPTC元件時(shí)，在決定WHPPTC的保持電流時(shí)就應(yīng)考慮WHPPTC元件動(dòng)作后并恢復(fù)1小時(shí)后的初始電阻RImax這個(gè)參數(shù)。
 

圖5 WHPPTC的阻值恢復(fù)曲線