浪涌保护
浪涌保护 与之相近的是ESD静电防护。
浪涌电压是导致计算机误动作、数据丢失的主要原因。浪涌电压也会导致计算机软损伤,软损伤就是计算机受到浪涌电压作用后,可靠性降低,寿命缩短。浪涌电压导致现代化制造系统出现的故障主要包括:存储器内数据丢失、 I/O接口电路复位,导致控制过程中断、线路板上的器件损坏、预置的校准值漂移、程序跑飞、系统死锁、变频器、直流电机驱动器等的输入整流模块故障控制器发出错误指令,导致系统误动。
浪涌保护:主要是指电源刚接通的一瞬间强力电压以及防雷击的浪涌保护。
特点是:频率小,电流大。
气体放电管: 响应时间最长
压敏电阻:(电压敏感 ZNO材质)用于浪涌瞬态电压抑制 响应时间比TVS管稍长。
1、当加在压敏电阻上的电压低于它的阈值时,流过它的电流极小,它相当于一个阻值无穷大的电阻。也就是说,当加在它上面的电压低于其阈值时,它相当于一个断开状态的开关。
2、当加在压敏电阻上的电压超过它的阈值时,流过它的电流激增,它相当于阻值无穷小的电阻。也就是说,当加在它上面的电压高于其阈值时,它相当于一个闭合状态的开关。
压敏电阻(MOV)
压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有:压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。
压敏电阻的响应时间为ns级,比气体放电管快,比TVS管稍慢一些,一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。
压敏电阻的结电容一般在几百到几千Pf的数量级范围,很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中,应用在交流电路的保护中时,因为其结电容较大会增加漏电流,在设计防护电路时需要充分考虑。
1、当加在压敏电阻上的电压低于它的阈值时,流过它的电流极小,它相当于一个阻值无穷大的电阻。也就是说,当加在它上面的电压低于其阈值时,它相当于一个断开状态的开关 [1] 。
2、当加在压敏电阻上的电压超过它的阈值时,流过它的电流激增,它相当于阻值无穷小的电阻。也就是说,当加在它上面的电压高于其阈值时,它相当于一个闭合状态的开关 [2]
TVS管: (电压钳位型瞬态抑制二极管)
利用器件的非线性特性,将电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。
过电压保护,保护电路免受大电压冲击 抑制反向的用单向TVS,有交流的用双向TVS
工作原理:一种二极管形式的高效能保护器件 。 当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-12秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压钳位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。
TVS在线路板上与被保护线路并联。这样,当瞬态电压超过电路正常工作电压后,TVS将发生雪崩击穿,从而提供给瞬态电流一个超低阻抗的通路,其结果是瞬态电流通过TVS被引开,从而避开被保护器件,并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。在此之后,当瞬态脉冲结束以后,TVS二极管再自动恢复至高阻状态,整个回路进入正常电压状态。
两种重要的瞬态电压:ESD 和 lightning雷击
ESD:静电释放会在数亿分之一秒内产生一个很高的瞬态电压,对电路系统破坏很大;
雷击:瞬间的高电压
应用: 将TVS二极管加在信号及电源线上,能防止微处理器或单片机因瞬间的脉冲,如静电放电效应、交流电源的浪涌电流及开关电源的噪音所导致的失灵
将TVS二极管放置在信号线及接地间,能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。
图1 交流电路的双向TVS 图2 避免晶体管被瞬变电压击穿损坏 图 3 集成运放对外界电压很敏感,为保护其 使用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路 图4 热插拔电路
TVS二极管选型参数:
1、最大反向工作电压VRWM略高于待保护电路最大的工作电压。VRWM>1.1Vmax; 不发生导通的最大工作电压
2、反向击穿电压VBR=VRWM/0.85; 发生导通的电压
3、最大箝位电压VC:低于被保护电路所允许的最大承受电压。Vc(MAX)=1.30×V(BR)如果超过就保护不了了。 发生雪崩后的两端电压大值
注:TVS的选型
最大箝位电压VC要小于电路允许的最大安全电压。
截止电压VRWM大于电路的最大工作电压,一般可以选择VRWM等于或者略大于电路的最大工作电压。
额定的最大脉冲功率(TVS参数中给出) PM要大于最大瞬态浪涌功率。
待保护电路直流工作电压12V,浪涌源的阻抗50MΩ,其干扰波形为方波,TP=1MS ,最大峰值电流50A。选择:
1、先从工作电压12V选取最大反向工作电压VRWM为13V,则击穿电压 :
V(BR)=VRWM/0.85=15.3V
2、从击穿电压值选取最大箝位电压Vc(MAX)=1.30×V(BR)=19.89V,取
Vc=20V
3、再从箝位电压VC和最在峰值电流IP计算出方波脉冲功率:
PPR=VC×IP=20×50=1000W
从手册中可查到1N6147A其中PPR=1500W,变位电压VRWM=12.2V,击穿电压V(BR)=15.2V,最大箝位电压Vc=22.3V,最大浪涌电流IP=67.3A。可满足上述设计要求,而且留有一倍的余量,不论方波还是指数波都适用。
TSS管:
浪涌吸收能力较TVS管更强,可做防雷管使用,由于其导通特性接近于短路,因此其需和电阻配合使用。
TSS的原理等和TVS管类似,但使用时注意:其过电压击穿后,电流值需降到临界值之下,才能恢复开路,因此电路的常态电流需小于其临界恢复电流。
其击穿电压(1.2—1.5)Umax;