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上海雷卯电子

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上海雷卯电子,品牌LEIDITECH,上海市高新技术企业,研发生产防静电防浪涌TVS/ESD及相关EMC元器件,设计EMC保护方案。

电路保护设计,产品和方法

01-06 77人看过
 

电路保护设计,产品和方法

 

由于当今技术相对不可预测,因此在需要可靠的设计中,电路保护是绝对必须的。本文将着眼于整个电路保护,以及如何减轻不同类型的损坏。

电路保护:对于设备和组件至关重要

 

在设计电路时,我们经常喜欢认为世界为我们提供了理想的设置,其中我们的电源是无噪声的,电容器没有电阻,并且逻辑电平会瞬时上升和下降。但是,现实世界远非理想。电源可能非常嘈杂(尤其是DC/ DC转换器),电容器通常具有等效的串联电阻,并且逻辑电平通常伴随各种时序问题。

 

即使我们考虑了这些对组件和设备的现实影响,许多设计人员通常还是会忘记解决一个领域-电路保护。建立在面包板上或原型PCB上的电路在实验室条件下可能会很好地工作,但是现实世界不一定能提供理想的条件,并且处理过静电敏感组件的任何人都知道确切的去向。浪涌产生的电压尖峰会损坏稳压器,而用户的静电冲击可能会杀死微控制器,恕不另行通知。由于设计人员永远不能太确定自己的电路会遇到什么情况,因此,最好的做法是保护电路免受尽可能多的不同损坏源的伤害。

电路损坏的典型来源

 

虽然有很多潜在的损坏源,但主要的损坏源包括静电放电,电感器反激和电源浪涌。

 

静电放电是静电放电。它是迄今为止基于CMOS的设备的最大杀手之一。静电放电可能来自多种不同的来源,但是人类是最常见的来源之一。人类有一种用材料覆盖身体并将橡胶附着在脚底上的习惯。结果是,当它们四处移动时,材料和橡胶可能会摩擦皮肤和其他表面。这反过来会产生静电。当带静电的人员触摸电子电路时,存在很大的风险,即电荷可能会从人员转移到电路上,从而使电路承受数千伏的电压。虽然传输到电路的能量很小,但高压很容易导致基于MOS的技术(例如晶体管,调节器,微控制器等)。其他基于势垒和结的技术(例如BJT和FET)受静电冲击的影响较小,但仍然存在可能被损坏的风险。

 

电感反激是在流经电感元件(例如线圈或扼流圈)的电流突然变化时发生的现象。发生这种情况时,需要释放存储在磁场中的能量。磁场的崩溃导致感应出电压(但极性与感应器的电压源相反)。该感应电压称为“反电动势”,对于敏感电路(例如基于硅的电路)非常危险。即使是很小的电感器,反电动势也可能高达数百伏。反电动势的常见来源包括扼流圈,电动机和变压器。

 

市电(也称为电网电源电涌)来自多种来源,包括电站故障,变电站故障和雷电。市电浪涌是将大的电压尖峰注入电网的地方。这种突然的峰值可能会影响几乎所有连接到电网的设备。影响电网的电压尖峰的经典示例是雷暴期间的停电。闪电会击中塔架,从而在整个电网中引起电涌。变电站可能会因电涌而损坏,从而切断其提供的电源,也可能会检测到电涌,然后有意切断电源以防止对用户造成损害。电源重新连接也会引起电涌,在该电源重新连接的地方,突然没有电源的区域重新连接到电网。

电路保护方法

 

因此,我们可以看到存在许多不同的潜在损坏源,但是如何保护电路免受此类损坏呢?

齐纳二极管/串联限制电阻

 

齐纳二极管具有钳位电压的能力,是最常用的电路保护器件之一。如果在正向偏置模式下使用,它们将像任何其他硅二极管一样将电压钳位到0.6V左右。但是,与硅二极管不同,在反向偏置模式下使用时,它们会将电压钳位到特定值。

 

例如,一个5V1齐纳二极管将反向偏置模式下的电压钳位到5.1V,这样,如果二极管两端的电压超过5.1V,电压就不会更高。这些二极管通常与串联限流电阻器配合使用,以使流过齐纳管的电流不会超过其极限。串联限流电阻器还可以保护电路免受电流尖峰的影响。但应注意,串联限流电阻会影响电路的速度性能,并且更适用于高阻抗输入。

扼流圈:电感

 

扼流圈是一对特殊的电感器,可以抵抗电流的突然变化。例如,来自电网的电压尖峰可以进入敏感电路的电源输入中。如果将一个扼流圈与电源输入串联,则电压尖峰(这也会导致电流尖峰I与电压V成正比)降低,电路的其余部分较少受到电涌的影响。

去耦电容器

 

电压和电流尖峰并不是电路可能面临的唯一危险。潜在损坏的另一个来源是电源不足,这是指电源突然中断,可能会持续数百毫秒。尽管对于简单的设备(例如风扇和照明设备)而言,这并不是特别的问题,但对于依赖于数字逻辑的设备(例如计算机,笔记本电脑和安全系统)却可能是非常有害的。

 

虽然持续超过半秒的大型电源不足非常困难(通常需要辅助备用电源),但是可以通过使用以下命令解决由开机(例如无线电模块)引起的短暂电源不足去耦电容器。一个去耦电容无非是一个大容量电容器,该电容器在正常工作状态下仍保持充电状态,但可以在电源不足时将其能量抽回到电路中,以维持电源电压。通常将此类电容器放置在功率处理电路(如微控制器的线性稳压器)之前。这样可确保正确维持微控制器的电压(请记住,许多稳压器可以接受较宽的输入电压范围,但许多微控制器无法处理较大的电压偏差)。去耦电容器的其他用途包括防止其他开关设备(包括DC/ DC转换器,处理器,传感器,无线电模块和高速数字电路)注入电源的噪声的电路保护。

保险丝

 

许多电路保护技术通常与外部影响有关,但有时需要保护电路免受自身影响。自我保护的一个经典例子是使用保险丝的短路保护。尽管并非所有电路都存在此问题,但某些设计可能包含在故障情况下可能汲取大量电流的电路。

 

例如,推挽放大器可以具有连接到外部设备的能力,但是也可以依赖于具有最小阻抗量的设备。在这种情况下,推挽很容易短路。而且,尽管放大器可能能够处理电流,但电路中的其他组件可能无法处理电流。在这种情况下,保险丝可与电源,输入和输出串联使用,以确保电路不会消耗危险的电流。存在许多保险丝类型,其中电线保险丝可用于市电供电的设备,而小型可复位保险丝更适合于Arduino等数字电路。

保护二极管

 

保护二极管在设计中至关重要,在这种设计中,电感可能会从线圈和电机等组件中飞回。虽然电动机和线圈本身没有受到损坏的危险,但是当这些组件将其反电动势注入到包含敏感电路(例如微控制器,晶体管和传感器)的电路中时,就会出现问题。去除反电动势是一项非常容易的任务,仅需要与预期会产生反电动势的器件并联放置一个二极管即可。重要的是要注意,这仅适用于DC设置,因为二极管与电感元件并联放置,但与电感元件的电源反向偏置。当关闭电感元件的电源时,反电动势会通过二极管,并远离电路中的其他组件。

电路保护产品

 

虽然分立组件可用于电路保护,但市场上也有一些特定组件包含专门用于此任务的专用电路。让我们回顾一些可用于电路保护的组件示例。

二极管矩阵封装

 

二极管矩阵封装将多个二极管合并到一个封装中,可用于多种用途。它们比较流行的用途之一是保护USB连接器(例如D+和D-)的引脚免受外部静电的影响。二极管矩阵封装的示例包括:雷卯电子的ESDA0504T5,它包含四个具有公共连接的齐纳二极管;雷卯电子的USRV05-4,它包含七个二极管,专门用于保护USB端口以及提供低电容通道。

瞬态电压抑制二极管

 

这些二极管类型专门针对较大的电压摆幅,可用于保护单个电路连接以及用作反电动势保护。抑制二极管的一个例子是LEIDITECH的SMAJ33A,它能够耗散400W的峰值功率,具有快速的响应时间,并且可以传导多达40A的峰值电流。抑制二极管的另一个示例是LEIDITECH的5KP36A,其峰值脉冲功率消耗为5,000W,从而可以保护电路足够长的时间,以便主熔断器/断路器可以断开电源。

自恢复保险丝

 

自恢复保险丝是可以防止在短路条件下损坏电路的组件。但是,与典型的熔断器不同,一旦熔断,就需要更换。自恢复保险丝没有。这些设备通常是PTC型,代表正温度系数。自恢复保险丝依赖于其温度随着流过它们的电流的增加而升高。温度升高会导致电阻失控,从而降低可流动的电流。

 

商用PTC保险丝的一个例子是LEIDITECH,SMD1812P050。这款SMD保险丝可提供多种额定电压和电流。PTC保险丝的另一个示例是插件的HL60-300。这是一种通孔设备,通常针对功能更强大的设备,例如电源。

结论

 

尽管存在多种可能会影响电路的电气损坏机制,但包括正确的电路保护组件和解决方案将有助于提高可靠性。因此,可以改善您正在设计的电子设备的整体性能。需要以下保护方案请联系oo2850873585

 

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