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“1加1大于4”的電路保護(hù)設(shè)計(jì)

發(fā)布時間:2023-06-14 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】通過增加電子元器件以提供電路保護(hù),來防止內(nèi)部和外部故障是吃力不討好的設(shè)計(jì)工作之一,這類似于購買保險。盡管遵循監(jiān)管要求和最佳實(shí)踐是不錯的出發(fā)點(diǎn),但當(dāng)不需要時,它似乎是一個額外的負(fù)擔(dān);而當(dāng)確實(shí)需要時,又很難知道保護(hù)是否足夠到位。需要保護(hù)的最常見故障類別包括由內(nèi)部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各種過壓事件。


通過增加電子元器件以提供電路保護(hù),來防止內(nèi)部和外部故障是吃力不討好的設(shè)計(jì)工作之一,這類似于購買保險。盡管遵循監(jiān)管要求和最佳實(shí)踐是不錯的出發(fā)點(diǎn),但當(dāng)不需要時,它似乎是一個額外的負(fù)擔(dān);而當(dāng)確實(shí)需要時,又很難知道保護(hù)是否足夠到位。需要保護(hù)的最常見故障類別包括由內(nèi)部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各種過壓事件。


共有以下三種基于元器件的過壓保護(hù)策略:


1.通過一個開關(guān)將相關(guān)的過電流轉(zhuǎn)接到地,一旦超過閾值電壓,該開關(guān)將變?yōu)榉浅5偷淖杩?

2.通過保護(hù)線路兩端的電壓鉗位器耗散掉多余的能量;

3.當(dāng)超過電壓閾值時,以類似熔斷器的動作斷開受影響的線路。


有許多元器件可用于實(shí)施這些保護(hù)策略。其中有些元器件在故障發(fā)生時可以充當(dāng)撬棍和臨時短路線(圖1),有些則充當(dāng)鉗位器,將瞬態(tài)電壓限制在預(yù)設(shè)限值,直到故障消失(圖2)。請注意,“撬棍”一詞可以追溯到早期的電力系統(tǒng)時代,當(dāng)時工人們真的會將金屬撬棍放在失控的電源總線上以使其短路。


“1加1大于4”的電路保護(hù)設(shè)計(jì)


圖1:當(dāng)撬棍保護(hù)功能觸發(fā)時,它會在受保護(hù)的線路和地之間形成一條低阻抗路徑,從而將過電壓浪涌轉(zhuǎn)接到地。本文資料來源:Bourns



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圖2:與撬棍相比,鉗位則是將過壓浪涌限制在預(yù)定值。


在眾多保護(hù)選項(xiàng)中,有氣體放電管(GDT)、晶閘管、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和多層壓敏電阻(MLV)、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)甚至齊納二極管等等。通常會看到其中幾種器件組合起來使用,以提供完整性保護(hù),并在取長補(bǔ)短的關(guān)系中彌補(bǔ)每種器件的固有缺點(diǎn)。顯然,還有很多故障類型、保護(hù)元器件類型及其保護(hù)方式。


舉例來說,為了提供一種幾乎沒有泄漏電流從而能延長使用壽命的過壓保護(hù)解決方案,設(shè)計(jì)人員通常會采用雙元器件布局。這種混合方法整合了兩個分立元器件:串聯(lián)的GDT和MOV(圖3),它們有著組合的電壓-時間曲線(圖4)。很顯然,這種雙元器件方法需要更多的電路板“空間”,并在物料清單(BOM)中多添加一個元器件。


“1加1大于4”的電路保護(hù)設(shè)計(jì)


圖3:GDT和MOV的串聯(lián)使用提供了一種更有效的過壓保護(hù)解決方案。


“1加1大于4”的電路保護(hù)設(shè)計(jì)


圖4:GDT+MOV混合布局的響應(yīng)與時間關(guān)系充分展示了它如何整合每個器件的基本響應(yīng)屬性。


但還有一個更大的問題和復(fù)雜性:MOV和GDT區(qū)域的電路板布局通常受制于定義最小爬電距離和電氣間隙的監(jiān)管要求。間隙是空氣中兩個導(dǎo)電部件之間的最短距離;爬電距離是指兩個導(dǎo)電部件之間沿著固體絕緣材料表面的最短距離。


這些距離將隨著電壓的增加而增加。因此,MOV和GDT元器件在實(shí)際的電路板布局時又增加了另一個需要關(guān)注和約束的點(diǎn)。


最近,看到一種相對較新的保護(hù)器件,它是兩個現(xiàn)有器件的組合,但不光是兩個分立元器件的簡單、明顯的合并封裝。Bourns公司的IsoMOV系列混合保護(hù)系列產(chǎn)品中的器件就是將MOV和GDT整合在一個封裝中,能提供與分立MOV和GDT串聯(lián)等效的功能(圖5)。


“1加1大于4”的電路保護(hù)設(shè)計(jì)


圖5:IsoMOV的原理圖符號(右)顯示為兩個器件各自標(biāo)準(zhǔn)符號的合并。


看一下IsoMOV的結(jié)構(gòu)就會發(fā)現(xiàn),它不僅僅是簡單的將MOV和GDT共同封裝在一個共享外殼中,而是將兩者有機(jī)的整合在一起,形成了功能上與分立MOV和GDT串聯(lián)等效的效果(圖6)。


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圖6:IsoMOV的物理結(jié)構(gòu)是一種完全不同的混合功能實(shí)現(xiàn)。


內(nèi)核組裝完成后,還需連接引線并涂上環(huán)氧樹脂。結(jié)果是一個大家熟悉的徑向圓盤型MOV封裝,它僅比類似額定值的傳統(tǒng)器件稍厚且直徑更小(圖7)。此外,由于采用了專利設(shè)計(jì)正在申請中的新型金屬氧化物技術(shù),這個IsoMOV元器件在相同尺寸下還具有更高的額定電流,而且消除了占位面積問題和爬電距離/間隙問題。


“1加1大于4”的電路保護(hù)設(shè)計(jì)


圖7:IsoMOV的徑向引線盤封裝看起來像標(biāo)準(zhǔn)MOV,但它比單個等效的MOV體積更小,額定電流更高。


這種電路保護(hù)器件不僅僅是“兩全其美”,因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)還有其他優(yōu)勢。MOV故障(是的,它們具有眾所周知的各種故障模式)通常以金屬化區(qū)域邊緣的所謂“浪涌孔”為特征,這通常是由浪涌期間該邊緣的MOV內(nèi)部溫度升高引起的。Bourns公司表示,這項(xiàng)技術(shù)旨在大幅減少或消除這種故障模式。


當(dāng)組合產(chǎn)品不僅僅是其組成部分的簡單累加時,它總會讓人感興趣。在這里,除了明顯節(jié)省空間外,這種組合還能提供性能和法規(guī)遵從方面的優(yōu)勢。退后一步說,想想能夠“開箱即用”(實(shí)際上,這里是“入箱即用”),并查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)后發(fā)現(xiàn),這種保護(hù)器件確實(shí)具有實(shí)實(shí)在在的好處。


我們經(jīng)??吹酵ㄟ^合并封裝來實(shí)現(xiàn)更高水平的功能集成,從而形成更小的外殼或芯片,這通常是一件好事,但有時在性能折衷方面也有不利之處。但是,這里的情況似乎并非如此。事實(shí)上,這是我近年來第二次看到小型非IC元器件出現(xiàn)這種情況。有些供應(yīng)商已經(jīng)在一個外殼中設(shè)計(jì)了可充電電池和超級電容器的組合,它們提供的可不光是更小的共同封裝,而是對器件構(gòu)造和物理特性的根本性再思考。其結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于兩個單獨(dú)的能量存儲元器件之和,實(shí)現(xiàn)了“一加一大于四”的效果!


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