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协同电路保护方案使通信设备免受损害
[ 通信界 / 路秋生 / www.cntxj.net / 2009/9/15 10:39:15 ]
 

  在通信设备的正常使用过程中,由于恶劣的电磁环境可能造成个别元器件的损坏,导致通信设备不能正常工作,造成重大损失。为了确保通信设备的安全,通常在通信设备中设计有关保护电路。常用的保护器件按工作原理划分,主要有过电压保护、过电流保护、过温度保护和EMI保护等几大类。根据实现保护的不同方法,相同功能的保护器件也有不同种类可供选用。在实际运用中,为了确保满足设备的保护和可靠性要求,保护电路往往采用多重协同保护(多级保护)。

通信设备电路的保护

  在通信设备的正常使用过程中,交流电网和通信线路上会出现雷击浪涌电压、火花放电等EMI瞬态干扰信号。瞬态干扰的特点是作用时间极短,但电压幅度高、瞬态能量大。当瞬态电压叠加在控制系统的输入电压上,使输入通信设备系统的电压超过系统内部器件的极限电压时,便会损坏通信设备的电源;当瞬态电压叠加在通信线路上时,瞬间高压便会损坏信号环路中传输、控制的元器件。另外,由于电力线搭碰、感应,通信电路上有可能出现持续的过电压、过电流,如不加保护也有可能损坏通信电路或器件,甚至造成火灾和生命财产损失。因此,必须采用恰当的保护措施,对通信系统及设备进行防护。

通信设备电路常用保护器件与工作特性

  过电压保护器件通常有高阻抗特性,当电压达到它的过电压保护值以上时,就转换到低阻抗;一旦过电压故障消失,保护器件会返回到高电阻状态,是一种可恢复器件。常用的过电压保护器件有SiBar(半导体晶闸管浪涌保护器件)、瞬态电压抑制器(TVS)、MOV(金属氧化物可变电阻)、和GDT(气体放电管)等。

  相反,过电流保护元件通常有低阻抗特性,当通过它的电流达到过电流保护值以上时,转换到高阻抗。常用的过电流保护器件有PPTC(聚合物正温度系数)、CPTC(陶瓷正温度系数)等,它们的共同特点是可重置,而不像保险丝为一次性的不可恢复器件。可恢复过电流保护元件的优势很明显,一旦过电流故障消失,保护器件冷却后会返回到低电阻状态。

1 过电压保护器件SiBar

  过电压保护器件按工作原理可以分为钳位型过电压保护器件和折返式过电压保护器件,常用的钳恍凸缪贡;て骷蠱OV(Metal oxide Varistors)和二极管,而折返式过电压保护器件有GDT和可控硅过电压保护器件。折返式过电压保护器件的I/V曲线如图1所示,它较钳位型过电压保护器件具有体积小和功耗低的优点。SiBar就是一种基于N型半导体的折返式可控硅浪涌电压过电压保护器件(TSP)。

图1 折返式过电压保护器件的I/V曲线

  SiBar在浪涌电压超过击穿电压时起分流的作用。当浪涌电压超过击穿电压时,SiBar工作在保护特性曲线的低阻区,形成一个低阻通路,有效地降低过电压。SiBar器件保持低阻状态直到流过该器件的电流下降到低于保持电流。在过电压事件过去之后,SiBar器件自动恢复到高阻状态。

2 瞬态电压抑制器

① 瞬态电压抑制器的工作原理

  瞬态电压抑制器的电路符号与普通稳压二极管相同,缩写为TVS。它的正向特性与普通二极管相同,反向特性与典型的PN结雪崩器件相同。在浪涌电压的作用下,瞬态电压抑制器两电极之间的电压由额定反向关断电压VFM上升到击穿电压VBR,产生击穿。随着击穿电流的出现,流过瞬态电压抑制器的电流将达到峰值脉冲电流IPP,在其两端的电压被钳位到最大钳位电压VC以下。然后,随着脉冲电流按指数衰减,瞬态电压抑制器两电极间电压也不断下降,最后恢复到初态,这就是瞬态电压抑制器抑制可能出现的浪涌脉冲功率,保护电子元器件的工作过程。

  目前,瞬态电压抑制器已被广泛应用于计算机系统、通信设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表(电度表)、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护等各个领域。

  瞬态电压抑制器主要有反向断态电压(截止电压)VRWM与反向漏电流IR、击穿电压VBR、脉冲峰值电流IPP、最大钳位电压VC、脉冲峰值功率Pm、稳态功率PO和极间电容Cj等参数。

② 瞬态电压抑制器的分类

  瞬态电压抑制器按极性可以分为单极性和双极性两种,单向瞬态电压抑制器的特性与稳压二极管相似,双向瞬态电压抑制器的特性相当于两个稳压二极管反向串联。

  按用途,瞬态电压抑制器可以分为通用型瞬态电压抑制器和特殊电路适用的专用型瞬态电压抑制器。如果按封装及内部结构划分,瞬态电压抑制器又可以分为轴向引线、双列直插瞬态电压抑制器阵列(适用多线保护)、贴片式、组件式和大功率模块式等。

3 金属氧化物可变电阻

  金属氧化物可变电阻(MOV)是一种陶瓷元件,其应用越来越广泛。它是由氧化锌微粒组成的多晶半导体过电压抑制器件,典型应用产品是氧化锌压敏电阻。利用其良好的伏安特性可以将冲击电压限制在一定范围内。其主要技术参数有通电流能力、冲击击穿电压和残电压。

  金属氧化物可变电阻能承受较大的电流冲击,具有较快的响应速度,可达到毫微秒级,价格较便宜。金属氧化物可变电阻的不足之处在于它的体积和电容值较大,存在一定的漏电流,如果质量不好,漏电流将逐渐增大甚至损坏;同时金属氧化物可变电阻的残电压较高,钳位效果较差。冲击电流越大,钳位电压就越高,反复冲击耐受能力差,它多次受冲击后工作特性变坏,会影响到其使用效果和工作寿命。

4 气体放电管

  气体放电管(GDT)是把一对放电间隙封装在充以放电介质(如惰性气体)的玻璃或陶瓷中的器件。常用气体放电管的冲击击穿电压在一百多伏到几千伏,一旦冲击过电压达到冲击击穿电压时,气体放电管内的气体电离,其由原来的开路状态变为近似短路状态。

  由于气体放电管可以容纳较高的脉冲电流、电容较低,但脉冲电压击穿滞后较多,一般用气体放电管作为第一级保护元件,常用的气体放电管的外形如图2所示。

图2  常用气体放电管的外形图

5 正温度系数(PTC)电阻器

  实用中,正温度系数(PTC)电阻器可用于过电流/过温度保护的应用场合,是一种限电流固态元件。PTC电阻器在正常温度下呈现欧姆特性,当超过一个特定温度以后,电阻值急剧上升104~106倍。当故障排除之后,PTC电阻器能自动恢复到低电阻状态,重新接通电路,因此使用中不需要维护。使用中,PTC元件和被保护电路串联连接,当电路中的电流迅速增加时,PTC的电阻迅速增加,从而限制电路过电流,实现对被保护对象的保护,这一过程被称之为PTC的“动作”。

  PTC按材料构成又可以分为PPTC和CPTC两大类,PPTC为聚合物正温度系数电阻器,CPTC为陶瓷正温度系数电阻器。PPTC器件是一种较新的技术,它克服了陶瓷器件的缺点,具有体积小、电容小、动作快的特点。

  PolySwitch(PSW)保护元件(PPTC)是由聚合物原料掺合导电颗粒制成的,如图3所示。在正常温度下,原材料结晶状结构将导体颗粒紧密束缚在一起,形成多个低电阻通路。当大电流通过或周围环境温度升高导致PPTC元件的温度高于动作温度时,聚合物中的晶体融化而变成无规律排列,体积微膨胀、低电阻通路断开,导致电阻迅速增加。

图3 PolySwitch(PSW)聚合物PTC的结构图

  PolySwitch的工作原理如图4所示。图4中的点1温度较低,产生的热和散发的热达到平衡。但是,当电路中流过较大的电流或产生过多的热时,使PolySwitch元件的温度升高,不过,若电流或环境温度增加不显著,PolySwitch元件产生的热可以散发到外部环境中,从而在点2达到平衡。当电流或环境温度再增加时,PolySwitch元件的温度会再达到一个更高的温度,如图3中的点3,此时如果电流或环境温度再进一步增加,PolySwitch元件产生的热量大于散发出去的热量,使得其温度迅速增高。在这个阶段,很小的温度变化就会产生很大的阻值变化,这一现象可从图3中的点3到点4之间的变化看出。这时PolySwitch元件处于保护动作状态,其阻值升高限制了通过电路中的电流,从而实现过电流保护功能。当温度回降到正常温度时,PolySwitch元件又回到低电阻状态。

图4 PPTC的温度与阻值变化曲线

  图5表示PPTC元件过电流/过温度后,当过电流/过温度故障消除后,PPTC元件阻值的恢复曲线。可见即使若干小时后,PPTC元件的阻值仍然大于初始阻值,电阻的减降将需持续一段较长的时间,最终电阻才会接近初始电阻,这个时间可能是几天、几个月或更久。但是,在实际应用中,要使PPTC元件的阻值恢复到初始值是不现实的。所以在选用PPTC元件时,在决定PPTC的保持电流时就应考虑PPTC元件动作后并恢复1小时后的初始电阻RImax这个参数。

图5 PPTC的阻值恢复曲线

6 过电流/过电压综合保护模组

  在以往,单个元件一直是电路保护中的主角,但是随着电子产品技术和需求的发展,融合两种或更多技术、材料的综合保护器件或模组将会越来越多。

  PolyZen产品是PPTC和半导体材料融合的一个成功案例。PolyZen微型集成模块元件内置了一个稳压齐纳二极管和一个非线性PPTC电阻层,为采用圆桶形插口作为直流电源输入的便携设备提供过电流/过电压综合保护,避免由于感应电压尖峰、电压瞬变、不正确电源和极性接反所导致的损坏现象。美国泰科电子公司瑞侃电路保护产品部的PolyZen微型集成保护模块可用于硬盘驱动器、便携电子设备、计算机和汽车电子等应用场合。它具有耐受能量大、电压钳位稳定度高的特点,可用于不正确的电源电压、电压的瞬态过高和极性反转保护的应用场合;同时具有过热、过流保护功能。

  与PolyZen类似,融合PPTC和MOV(金属氧化物压敏电阻)器件的2Pro单片过电压/过电流保护器,具有体积小、电力线搭碰/感应测试后自动恢复和有助于防护电路过电压的优点。可用于VoIP网关、无线电话、传真机、机顶盒、低成本电信系统和客户端设备的过电压/过电流保护应用场合。

通信设备电路保护实例

  采用GDT和SiBar的电信设备两级协同保护电路工作原理图如图6所示。在图6所示的保护电路中,首先采用了GDT作为第一级过电压保护,将来自电信线的过电压干扰信号加以抑制,这些干扰信号可能是雷电干扰信号或由大功率设备开关机而引入的开关机浪涌高幅值脉冲干扰信号。由于GDT的响应速度相对较慢,为了提高保护效果,又采用了响应速度很快的折返式可控硅浪涌电压过电压保护器件SiBar作为第二级过电压保护。两级过电压器件间的线电阻提供耦合,与两级过电压器件一起构成两级协同过电压保护,从而确保被保护电信设备免受雷击浪涌侵害。

图6 采用GDT和SiBar的电信设备双重协同保护电路工作原理图

  在图7所示的电信设备三重协同保护电路中,采用了GDT作为第一级过电压保护,其后串联了PolySwitch过电流保护器件,第二级过电压保护则采用了响应速度很快的折返式可控硅浪涌电压过电压保护器件SiBar。采用三重协同过电压/过电流保护,既可以确保被保护电信设备免受雷击浪涌侵害,又可以保护电信设备因电力线感应或电力线搭碰造成的损坏。

图7 采用GDT、PolySwitch和SiBar的电信设备三重协同保护电路工作原理图

  很多设备都可以使用该种保护电路。例如,为传真机供电的220V电源及接入传真机的电话线应有避雷装置,可以采用图6所示的两级过电压协同保护电路;如果对传真机的保护功能要求更高,则可以采用图7所示的三级过电压/过电流协同保护电路,在有雷电进入的情况下可以避雷,确保传真机可靠工作。

  如果在图6、图7的基础上再添加一级欠电压保护功能,则可以在市电电压下,实现传真机的过电压和欠电压保护。当传真机的供电超过260V或低于170V时自动断开供电电源,完成过电压和欠电压保护,这对那些供电电压不稳定地区的传真机使用有很大的好处。

  再如,移动通信基站一般都安装在建筑物上或较高位置上,位于很容易受到严重雷击和浪涌电流损坏的户外环境中。浪涌电流会导致基站无法正常工作,更为严重的是,如果对浪涌电流不加以阻止,任其到达手机基站电子系统的线路和电子部件内部,将有可能损坏基站设备,严重时有可能导致火灾危险。对于这种应用场合,不但需要保护基站的信号线路,还要保护基站的电源、在配电箱内安装防电浪涌保护装置。如果有必要,还应当增加过流、过热和EMI等保护,进一步完善保护功能。

结语

  由于使用环境的苛刻,以及对系统稳定性和可靠性的要求,电信系统需要采用多重保护。系统中的设备应当根据具体的应用环境和设备的特点选用适当的保护元件构成满足系统保护要求的解决方案。依据相应的标准设计合理的保护电路、选用品质优良的适用元件,是保证通信设备安全的牢固基石。

 

作者:路秋生 合作媒体:今日电子/21ic 编辑:顾北

 

 

 
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