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电路保护设计,如何实现“一加一大于四”的效果?

2022-10-27 15:42:03 Bill Schweber 阅读:
尽管遵循监管要求和最佳实践是不错的出发点,但当不需要时,它似乎是一个额外的负担;而当确实需要时,又很难知道保护是否足够到位。需要保护的最常见故障类别包括由内部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各种过压事件。

通过增加电子元器件以提供电路保护,来防止内部和外部故障是吃力不讨好的设计工作之一,这类似于购买保险。尽管遵循监管要求和最佳实践是不错的出发点,但当不需要时,它似乎是一个额外的负担;而当确实需要时,又很难知道保护是否足够到位。需要保护的最常见故障类别包括由内部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各种过压事件。PAgednc

共有以下三种基于元器件的过压保护策略:PAgednc

  1. 通过一个开关将相关的过电流转接到地,一旦超过阈值电压,该开关将变为非常低的阻抗;
  2. 通过保护线路两端的电压钳位器耗散掉多余的能量;
  3. 当超过电压阈值时,以类似熔断器的动作断开受影响的线路。

有许多元器件可用于实施这些保护策略。其中有些元器件在故障发生时可以充当撬棍和临时短路线(图1),有些则充当钳位器,将瞬态电压限制在预设限值,直到故障消失(图2)。请注意,“撬棍”一词可以追溯到早期的电力系统时代,当时工人们真的会将金属撬棍放在失控的电源总线上以使其短路。PAgednc

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图1:当撬棍保护功能触发时,它会在受保护的线路和地之间形成一条低阻抗路径,从而将过电压浪涌转接到地。本文资料来源:BournsPAgednc

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图2:与撬棍相比,钳位则是将过压浪涌限制在预定值。PAgednc

在众多保护选项中,有气体放电管(GDT)、晶闸管、金属氧化物压敏电阻(MOV)和多层压敏电阻(MLV)、瞬态电压抑制器(TVS)甚至齐纳二极管等等。通常会看到其中几种器件组合起来使用,以提供完整性保护,并在取长补短的关系中弥补每种器件的固有缺点。显然,还有很多故障类型、保护元器件类型及其保护方式。PAgednc

举例来说,为了提供一种几乎没有泄漏电流从而能延长使用寿命的过压保护解决方案,设计人员通常会采用双元器件布局。这种混合方法整合了两个分立元器件:串联的GDT和MOV(图3),它们有着组合的电压-时间曲线(图4)。很显然,这种双元器件方法需要更多的电路板“空间”,并在物料清单(BOM)中多添加一个元器件。PAgednc

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图3:GDT和MOV的串联使用提供了一种更有效的过压保护解决方案。PAgednc

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图4:GDT+MOV混合布局的响应与时间关系充分展示了它如何整合每个器件的基本响应属性。PAgednc

但还有一个更大的问题和复杂性:MOV和GDT区域的电路板布局通常受制于定义最小爬电距离和电气间隙的监管要求。间隙是空气中两个导电部件之间的最短距离;爬电距离是指两个导电部件之间沿着固体绝缘材料表面的最短距离。PAgednc

这些距离将随着电压的增加而增加。因此,MOV和GDT元器件在实际的电路板布局时又增加了另一个需要关注和约束的点。PAgednc

最近,看到一种相对较新的保护器件,它是两个现有器件的组合,但不光是两个分立元器件的简单、明显的合并封装。Bourns公司的IsoMOV系列混合保护系列产品中的器件就是将MOV和GDT整合在一个封装中,能提供与分立MOV和GDT串联等效的功能(图5)。PAgednc

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图5:IsoMOV的原理图符号(右)显示为两个器件各自标准符号的合并。PAgednc

看一下IsoMOV的结构就会发现,它不仅仅是简单的将MOV和GDT共同封装在一个共享外壳中,而是将两者有机的整合在一起,形成了功能上与分立MOV和GDT串联等效的效果(图6)。PAgednc

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图6:IsoMOV的物理结构是一种完全不同的混合功能实现。PAgednc

内核组装完成后,还需连接引线并涂上环氧树脂。结果是一个大家熟悉的径向圆盘型MOV封装,它仅比类似额定值的传统器件稍厚且直径更小(图7)。此外,由于采用了专利设计正在申请中的新型金属氧化物技术,这个IsoMOV元器件在相同尺寸下还具有更高的额定电流,而且消除了占位面积问题和爬电距离/间隙问题。PAgednc

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图7:IsoMOV的径向引线盘封装看起来像标准MOV,但它比单个等效的MOV体积更小,额定电流更高。PAgednc

这种电路保护器件不仅仅是“两全其美”,因为该设计还有其他优势。MOV故障(是的,它们具有众所周知的各种故障模式)通常以金属化区域边缘的所谓“浪涌孔”为特征,这通常是由浪涌期间该边缘的MOV内部温度升高引起的。Bourns公司表示,这项技术旨在大幅减少或消除这种故障模式。PAgednc

当组合产品不仅仅是其组成部分的简单累加时,它总会让人感兴趣。在这里,除了明显节省空间外,这种组合还能提供性能和法规遵从方面的优势。退后一步说,想想能够“开箱即用”(实际上,这里是“入箱即用”),并查看内部结构细节后发现,这种保护器件确实具有实实在在的好处。PAgednc

我们经常看到通过合并封装来实现更高水平的功能集成,从而形成更小的外壳或芯片,这通常是一件好事,但有时在性能折衷方面也有不利之处。但是,这里的情况似乎并非如此。事实上,这是我近年来第二次看到小型非IC元器件出现这种情况。有些供应商已经在一个外壳中设计了可充电电池和超级电容器的组合,它们提供的可不光是更小的共同封装,而是对器件构造和物理特性的根本性再思考。其结果远远优于两个单独的能量存储元器件之和,实现了“一加一大于四”的效果!PAgednc

参考原文:Circuit protection: When one plus one is more than four ;本文同步刊登于《电子工程专辑》2022年10月刊杂志)PAgednc

责编:Demi
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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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