浪涌电压抑制器设计及应用
    

浪涌电压抑制器设计及应用

1设计原则

还应在信息家电的电源端加装相应的过电压维护装置,对于家居信息系统的维护除了做好惯例的防雷设施和处置好接地问题外。以消除电网浪涌、雷电感应电压、设备切换等意外事件对信息家电设备的冲击和毁坏。

并将设备外壳、室内的金属门、窗、管道等进行等电位处理。要求进入信息家电内的电源线、信号线应通过防雷、防过压处理。

信息家电设备雷电过电压及电磁干扰防护是维护通信线路、设备及人身安全的重要技术手段和确保通信线路、设备运行不受干扰必不可缺少的技术环节。

信息网络过电压维护必需运用电磁兼容原理将计算机网络局部的防护归结到整体的雷电过电压保护。

从电磁兼容的角度动身,网络设备所处的建筑物作为一个欲保护的空间区域。可由外到内分为几个雷电维护区,现已规定出各部分空间不同的雷电磁脉冲(lemp)严重水平。

建筑物外部是直击雷区域,根据雷电维护区的划分要求。这个区域内的设备最容易遭受损害,危险性最高,

为0区;建筑物内部所处的位置为非暴露区?可将其分为1区、2区,流露区。越往内部,危险水平越低,雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入。

穿过各级雷电维护区的金属构件在每一穿过点做等电位联结。护区的界面通过外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成屏蔽层。电气通道以及金属管则必需通过这些界面。

2浪涌电压抑制器件

其主要特点是器件击穿后的残压很低,浪涌电压抑制器件基本上可以分为两大类。第一种类为橇棒(crowbar)器件。因此不只有利于浪涌电压的迅速泄放,

该类型器件的漏电流小,而且使功耗大大降低。另外。器件极间电容量小,所以对线路影响很小。常用的撬棒器件包括气体放电管、气隙型浪涌保护器、硅双向对称开关csspd)等。

即保护器件在击穿后,另一类为箝位保护器。其两端电压维持在击穿电压上不再上升,以箝位的方式起到维护作用。

常用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻?mov 瞬态电压抑制器(tvs)等。

维护器分过电压维护元件和过电流维护元件。通常所称的避雷器和随着国外防雷器件引入的浪涌抑制器过电压限制器放电管、齐纳二极管等都属于电压限制元件。

但它之间的通流容量、动作速度、残压等有很大差别。而正温度系数ptc、电感、电阻、平安丝则属于过电流维护元件。工作原理差不多。

二极管型防护器件包括开关二极管、齐纳二极管、瞬态二极管等。维护性能大致相同。>

管子呈高阻,接受冲击能力和限制电压等级方面稍有不同。正常情况下。当外加电压达到其门限值时,电流迅速增加。响应速度非常快的维护元件,

管子两端压降基本不受冲击电压和冲击电流的影响,限幅电压低。维护精密设备中半导体电路非它莫属。

通流能力方面有了较大的突破,近年来正在发展的瞬态二极管。可用在第二级甚至第一级保护。

二极管型防护器件是利用硅pn结正向压降(vf)和反向雪崩击穿电压(vz)特性制成的

二是双向的硅压敏电阻。tvs器件在规定的反向应用条件下,如瞬变电压抑制二极管(tvs)二极管型防护器件有两种形式:一是齐纳型单向雪崩击穿。接受到高能量的瞬时过压脉冲时,其工作阻抗能立即降至很低以允许大电流通过,

从而有效地维护电子产品中的精密元器件免受损坏。双向tvs可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率,将电压箝制在预定水平。并把电压箝制在预定水平,

所谓箝位系数就是指tvs上流过的电流在最大时的端电压与流过的电流为最小时的端电压的比值,双向tvs适用于交流电路。tvs的最大优点是箝位系数小。

抑制瞬变电压的效果越好。tvs器件的其它优点是体积小、响应速度快(小于1ns)可靠性高、每次经受瞬变电压后其性能不会下降等。箝位系数越小。>

缺点是电容大、耐电流量小。现在国外tvs器件已经采用气密性附壳封装。>

而一般的民用器件则采用有引线或无引线的塑封形式,外形为do-41。典型的有美国generalinstrument公司生产400w、600w、1500w无引线扁平塑封,其400w的工作电压为5.5~162v,

外形为sma/d0214ac;600w的工作电压为5.5~162v,型号为tsma6.8~tsma200。型号为tsmb6.8~tsmb200,外形为smb/d0214aa;1500w工作电压5.5~162v,型号为tsmc6.8~tsmc200,外形为smc/d0214ab。

型号为tgl41-6.8~tgl41-200,也生产无引线圆柱形产品。外形为melfgl41。该公司还生产5000w的tvs,其工作电压为5.0~110v,

外形为p600。tvs的另一发展方向是开发低电压产品,号为5kp5.0~5kp110。目前正在开发的产品电压范围为2.8~3.8v,以满足低压微处理器和ic的需要。

硅瞬变吸收二极管

硅瞬变吸收二极管工作有点象普通的稳压管,箝位型的干扰吸收器件,其应用是与被维护设备并联使用。

硅瞬变电压吸收二极管具有极快的响应速度(亚纳秒级)相当高的浪涌吸收能力和极多的电压档次。能维护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压,以及感应雷所产生的过电压。

tvs管有单方向(单个二极管)和双方向(两个背对背连接的二极管)两种,主要参数是击穿电压、漏电流和电容。使用中,tvs管的击穿电压要比被维护电路工作电压高10%左右,以防止因线路工作电压接近tvs击穿电压,使tvs漏电流影响电路正常工作;也防止因环境温度变化导致的tvs管击穿电压落入线路正常工作电压的范围。

tvs管有多种封装形式,如,轴向引线产品可用在电源馈线上,双列直插的和表面贴装的适合于在印刷板上作为逻辑电路、i/o总线及数据总线的维护。

3.1tvs的特性

tvs的电路符号和普通的稳压管相同。其电压-电流特性曲线如图1所示。

其正向特性与普通二极管相同,反向特性为典型的pn结雪崩器件。图2是tvs的电流-时间和电压-时间曲线。

浪涌电压的作用下,tvs两极间的电压由额定反向关断电压vwm上升到击穿电压vbr,而被击穿。随着击穿电流的呈现,流过tvs的电流将达到峰值脉冲电流ipp,同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压vc以下。其后,随着脉冲电流按指数衰减,tvs两极间的电压也不断下降最后恢复到初态,这就是tvs抑制可能呈现的浪涌脉冲功率,维护电子元器件的过程。当tvs两极受到反向高能量冲击时,能以10~12s级的速度,将其两极间的阻抗由高变低,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电位箝位于预定值,有效地维护电子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。tvs具有响应时间快、态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点,目前已广泛应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。

3.2tvs的主要参数

1)最大反向漏电流id和额定反向关断电压vwm。vwm是tvs最大连续工作的直流或脉冲电压,当这个反向电压加于tvs的两极间时它处于反向关断状态,流过它电流应小于或等于其最大反向漏电流id;

2)最小击穿电压vbr和击穿电流ir。vbr是tvs最小的击穿电压。25℃时,低于这个电压tvs是不会发生雪崩的当tvs流过规定的1ma电流(ir)时,加于tvs两极的电压为其最小击穿电压vbr。按tvs的vbr与标准值的离散水平,可把vbr分为5%和10%两种。对于5%的vbr来说,vwm=0.85vbr;对于10%的vbr来说,vwm=0.81vbr;

3)最大箝位电压vc和最大峰值脉冲电流ipp。当继续时间为20ms的脉冲峰值电流ipp流过tvs时,其两端出现的最大峰值电压为vc。vc、ipp反映了tvs的浪涌抑制能力。vc与vbr之比称为箝位因子,一般在1.2~1.4之间;

4)电容量c。电容量c是由tvs雪崩结截面决定的特定的1mhz频率下测得的c的大小与tvs的电流接受能力成正比,c太大将使信号衰减。因此,c是数据接口电路选用tvs的重要参数;

5)最大峰值脉冲功耗pm。pm是tvs能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。

给定的最大箝位电压下,功耗pm越大,其浪涌电流的接受能力越大;给定的功耗pm下,箝位电压vc越低,其浪涌电流的接受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、继续时间和环境温度有关。而且,tvs所能承受的瞬态脉冲是不重复的器件规定的脉冲重复频率(继续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的累积,有可能损坏tvs;

6)箝位时间tc。tc是从零到最小击穿电压vbr的时间。对单极性tvs小于110-12s;对双极性tvs小于1010-12s。

3.3tvs的分类

tvs器件按极性可分为单极性和双极性两种;按用途可分为通用型和专用型;按封装和内部结构可分为:

轴向引线二极管、双列直插tvs阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400w、500w、600w、1500w和5000w。其中大功率的产品主要用在电源馈线上,低功率产品主要用在高密度安装的场所。对于高密度安装的场所还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。

3.4tvs的选用

1)确定被保护电路最大直流或连续工作电压,电路的额定规范电压和最大可承受电压;

2)tvs的额定反向关断电压vwm应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的vwm太低,器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作;

3)tvs的最大反向箝位电压vc应小于被保护电路的损坏电压

4)规定的脉冲继续时间内,tvs的最大峰值脉冲功率pm必需大于被维护电路可能呈现的峰值脉冲功率。确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

一般,tvs的最大峰值脉冲功率是以10/1000ms的非重复脉冲给出的而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的当脉冲宽度不同时,其峰值功率也不同。

如某600wtvs,对1000ms脉宽最大吸收功率为600w,但是对50ms脉宽吸收功率就可达到2100w,而对10ms的脉宽最大吸收功率就只有200w了而且吸收功率还和脉冲波形有关,如果是半个正弦波形式的脉冲,吸收功率就要减到75%;若是方波形式的脉冲,吸收功率就要减到66%;

5)平均稳态功率的匹配

对于需要接受有规律的短暂的脉冲群冲击的tvs,如应用在继电器、功率开关或电机控制等场合,有必要引入平均稳态功率的概念。例如,一功率开关电路中会发生120hz,宽度为4ms,峰值电流为25a的脉冲群。选用的tvs可以将单个脉冲的电压箝位到11.2v。此中平均稳态功率的计算为:脉冲时间间隔等于频率的倒数1/120=0.0083s,峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2v25a=280w,平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积,

即2800.000004s/0.0083s)=0.134w。也就是说,选用的tvs平均稳态功率必需大于0.134w;

6)对于数据接口电路的维护,还必需注意选取具有合适电容c的tvs器件;

7)根据用途选用tvs的极性及封装结构。交流电路选用双极性tvs较为合理,多线维护选用tvs阵列更为有利;

8)根据温度考虑,瞬态电压抑制器可以在55℃+150℃之间工作。如果需要tvs在一个变化的温度下工作,由于其反向漏电流id是随温度增加而增大;功耗随tvs结温增加而下降,从+25~+175℃大约线性下降50%;击穿电压vbr随温度的增加按一定的系数增加。因此,必需查阅有关产品资料,考虑温度变化对其特性的影响。

3.5tvs管在使用中应注意的事项

对于瞬变电压的吸收功率(峰值)与瞬变电压脉冲宽度间的关系,手册给的只是特定脉宽下的吸收功率(峰值)

而实际线路中的脉冲宽度则是变化莫测的技术人员事前要有估计,对宽脉冲应降额使用。对于小电流负载的维护方面,可有意识地在线路中增加限流电阻,只要限流电阻的阻值适当,就不会影响线路的正常工作,但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的tvs管来对小电流负载线路进行维护。

对重复出现的瞬变电压的抑制,尤其值得注意的tvs管的稳态平均功率是否在平安范围之内。

3.6降额使用

作为半导体器件的tvs管,要注意环境温度升高时的降额使用问题。特别要注意tvs管的引线长短以及它与被保护线路的相对距离。当没有合适电压的tvs管供采用时,允许用多个tvs管串联使用。

关键词:浪涌电压抑制器

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    收录时间:2014年10月08日 14:01:16 来源:www.app17.com 作者:不详
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