三級(jí)浪涌防護(hù)及退耦設(shè)計(jì)

浪涌(surge)也叫突波、瞬變(voltagetransient)，是電路短路、電源切換或大型發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)機(jī)引起的電流瞬間超出穩(wěn)定值峰值的突發(fā)現(xiàn)象，一般指發(fā)生在幾百萬分之一秒時(shí)間內(nèi)的一種尖峰脈沖，通常包括浪涌電壓和浪涌電流。

01浪涌防護(hù)原理

浪涌的危害性非常大，可使電路瞬間燒壞，而浪涌保護(hù)就是利用線性元器件對(duì)高頻(浪涌)的敏感設(shè)計(jì)的保護(hù)電路，簡單而常用的是并聯(lián)大小電容和串聯(lián)電感。對(duì)于商用設(shè)備，一般通過含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品吸收突發(fā)的尖峰能量，保護(hù)連接設(shè)備免受浪涌損害。

在電路設(shè)計(jì)中，一般遵循“多級(jí)防護(hù)、逐級(jí)削減”的原則，組合使用多種保護(hù)元器件方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)、高可靠的浪涌防護(hù)。

第一級(jí)保護(hù)

大多數(shù)防護(hù)電路中，第一級(jí)是最容易引入雷電等尖峰的端口。

對(duì)于建筑物進(jìn)線口、AC電源輸入端口等應(yīng)用，這些場(chǎng)合選取氣體放電管等大通流保護(hù)器件，如GDT、SPG、TSS、信號(hào)類防雷模塊(SPD)等。在直流電路可以適用高滅弧電壓的GDT，類似雷卯電子的2R350-8LH,可以用于DC24V的直接跨接，

02浪涌兩級(jí)保護(hù)方案

對(duì)于電源端口場(chǎng)合，第一級(jí)防護(hù)一般選用能夠承受較高電壓或較大電流的箝位型大通流保護(hù)器件。若在電源端口選用開關(guān)型保護(hù)器件，過電壓時(shí)開關(guān)型器件導(dǎo)通后電壓較低，本身影響系統(tǒng)的供電電壓，另一方面系統(tǒng)電壓有可能會(huì)維持一直處于導(dǎo)通狀態(tài)不能正常斷開，系統(tǒng)長時(shí)間通過較大的電流(如A級(jí)電流)可能對(duì)電路板造成致命傷害，甚至引起火災(zāi)。

03MOV加GDT保護(hù)方案

針對(duì)電源端口第一級(jí)箝位型過電壓保護(hù)器件，一般選取金屬氧化物壓敏電阻(MOV)、超大功率TVS(hyperfix)，或由這幾種器件組合而成的防雷模塊(SPD)等。當(dāng)然，低速信號(hào)端口也可選擇箝位型器件進(jìn)行第一級(jí)防護(hù)，但前提是箝位型器件的結(jié)電容不能影響通信線路的正常通信。

第二級(jí)保護(hù)

第二級(jí)防護(hù)與第一級(jí)防護(hù)類似，一般選用反應(yīng)速度快箝位電壓低的TVS、ESD等。

在第二級(jí)，過于突出的尖峰脈沖已經(jīng)被第一級(jí)削掉，只剩下小于第一級(jí)閾值的干擾信號(hào)、EMI以及二次產(chǎn)生的噪聲。其中，ESD專為門防靜電元件，由多個(gè)二極管或TVS組合而成，適用于高速數(shù)據(jù)線路ESD防護(hù)，如HDMI、USB3.0、IEEE1394等。

退耦元器件

退耦元件具有一定阻抗，作用是保證兩級(jí)過電壓保護(hù)器件協(xié)同工作。由于第一級(jí)防護(hù)器件與第二級(jí)防護(hù)器件采用的過電壓保護(hù)器件種類不同，擊穿電壓大小不同，響應(yīng)時(shí)間不同，只好通過退耦元件進(jìn)行匹配。

設(shè)計(jì)中，第二級(jí)過電壓保護(hù)器件一般采用響應(yīng)速度較快的小通流低壓器件，浪涌電壓沖擊時(shí)會(huì)先導(dǎo)通，退耦器件具有一定的內(nèi)阻，經(jīng)過大浪涌電流時(shí)，會(huì)將退耦元件之前的電壓提高到第一級(jí)過電壓元件的擊穿電壓之上，第一級(jí)元件導(dǎo)通后可泄放大浪涌電流，從而分擔(dān)了第二級(jí)保護(hù)器件的壓力。如果兩級(jí)過電壓保護(hù)器件之間不加退耦器件，這樣第二級(jí)保護(hù)器件就會(huì)一直處于先導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)浪涌電流超過第二級(jí)元器件能力時(shí)便會(huì)使其損壞。

選擇退耦器件時(shí)，要根據(jù)線路的工作電流大小來選取，如一些信號(hào)電路工作電流較小，在保證其正常通信的情況下可選取功率型電阻或自恢復(fù)保險(xiǎn)絲(PPTC)，退耦電阻一般選取10Ω以內(nèi)。從浪涌防護(hù)角度看，退耦電阻越大越好，但也不能太大，否則會(huì)影響線路正常工作電流，需要工程師在電路設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮。

對(duì)于一些輸入電流較大的低頻線路，可選用電感來進(jìn)行退耦，電感阻抗的計(jì)算公式為Z=2πfL，當(dāng)確定好退耦阻抗值后，可從公式中計(jì)算出所用電感的大小。

04單TVS防護(hù)方案

在類似5G基站的防雷設(shè)計(jì)電路上，對(duì)電力的VC箝位電壓要求非常高，也可以采用單TVS的保護(hù)方案，使用的是雷卯電子的AK系列TVS，類似AK10 AK15 防護(hù)10KA級(jí)別的TVS，這類方案的特點(diǎn)是殘壓很低。

上面只是一些基本思路，實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)每種電路保護(hù)元件的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短搭配選用，這樣才能獲得高性價(jià)比的電路保護(hù)方案，為用戶提供高可靠、高性能的電子電子產(chǎn)品，在激烈的市場(chǎng)競爭中獲得先機(jī)。

審核編輯：湯梓紅