完整的電路保護-過流過壓保護

1、一、完整的電路保護一、完整的電路保護1.1 1.1 過流保護過流保護 1、傳統(tǒng)的熔斷保險絲/玻璃管3、PTC/NTC熱敏電阻注：通常也把以上第2、3加上一些溫控元件合稱為電路熱保護。 2、自恢復式的保險絲PPTC1.2.1 1.2.1 工作原理工作原理 （FUSEFUSE） 根據(jù)焦爾定律： Q=IQ=I2 2 R TR T 當通過保險絲的電流達到一定時，在保險絲上所產(chǎn)生的熱量達到它的固態(tài)熔點時，保險絲就會自動熔斷而起到保護電路的作用。因此，工程人員在選擇保險絲時最關注的參數(shù)如下： I-熔斷電流 T-當電流達到 I 時，經(jīng)過多長時間才能熔斷。所以一般保險絲分為：快斷（F）和慢斷（S）兩種。1.2

2、.2 1.2.2 工作原理工作原理 （PPTCRPPTCR） A、 當電流流過元件時，根據(jù)焦爾定律知其會產(chǎn)生熱量。上圖中的 Point 1 Point 2就是處于電流或環(huán)境溫度增加不明顯時所達到的平衡點。 B、 當電流或環(huán)境溫度繼續(xù)增加，產(chǎn)生的熱能大于散發(fā)的熱能時， 此階段很小的溫度變化都會造成阻值的大幅提高。上圖中的Point 3-Point 4就是處于保護狀態(tài)。1.2.3 1.2.3 工作原理工作原理 （PTCR/NTCRPTCR/NTCR） PTC-正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻：熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而增大。其T-R變化曲線如圖1所示。因此PTCR多用作電路保護元件。NTC-負溫度系數(shù)

3、NTC熱敏電阻：熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而減小。其T-R變化曲線如圖2所示。因此NTCR多用作溫度控制元件。2.1 2.1 過壓保護常識過壓保護常識 u 為什么現(xiàn)在的電路越來越多地要使用過壓保護元件？ 1、隨著電子產(chǎn)品數(shù)字化的發(fā)展，IC的集成度越來越，其“身價”越來越貴，因此要加強保護； 2、為了降低功耗、減少發(fā)熱，半導體元件和IC的工作電壓越來越低；據(jù)SIA報道：2003年的IC工作電壓為1.5V，今年將降到1.2V； 3、使用電子產(chǎn)品的環(huán)境所要求的。Eg：汽車電子產(chǎn)品、室外通信產(chǎn)品、電力產(chǎn)品； 4、數(shù)字移動產(chǎn)品越來越多，如PDA、手機、筆試本電腦、數(shù)碼相機、MP3等都要用到電池作為電源

4、，在電池組件和電池充電器中都必須配備保護元件。u 過電壓有哪些表現(xiàn)形式？ 1、瞬態(tài)峰值電壓 2、浪涌電壓 3、靜電放電（ESD） 4、其它齊納二極管 (Zener Diodes)雪崩二極管 (Silicon Avalanche Diodes)閘流管(Thyristors)壓敏電阻 (Metal Oxide Varistors)氣體放電管 (Gas Discharge Tubes)饋線電阻 (Line Feed Resistors )緩沖電容 (Snubber Capacitors)過壓保護過壓保護-常用器件（限壓器）常用器件（限壓器） 工作原理工作原理 此器件專門設計用于吸收ESD能量并且保護

5、系統(tǒng)免受ESD損害的固態(tài)元件。TVS二極管將限制跨在被保護器件上的電壓剛好高過額定電壓，但是卻遠低于破壞的閾值電壓。TVS瞬變電壓消除器 Transient Voltage SuppressorTeccor Overvoltage Protection Product1、 聚合物ESD抑制器2、 可變電阻-表面貼 A、多層疊的可變電阻（ML，MLE、MHS、AUML and MLN Series） B、壓敏電阻（CH Series） 3、硅保護產(chǎn)品 A、TVS/Diode Arrays（SP05x，SP72x Series） B、閘流管（SiBODTM ） C、TVS Diodes/Silic

6、on Avalance Diodes（SADs） 4、氣體放電管（GDTs） 5、工業(yè)&軸向壓敏電阻 A、Radial Leaded MOVs（UltraMOVTM，C-III，LA，ZA，RA and TMOVTM Varistors） B、軸向引腳的壓敏電阻（MA Series MOVs） C、工業(yè)級的壓敏電阻（CA，NA，PA，HA，HB34，DA and DB Series varistors）Teccor產(chǎn)品應用領域產(chǎn)品應用領域5、其它工業(yè)設備3、通信設備4、汽車電子1、個人電子消費產(chǎn)品2、電源產(chǎn)品 電源產(chǎn)品 A、交流電源 B、不間斷電源（UPS） C、電能表 D、交流電器控

7、制板應用電路 推薦產(chǎn)品 可控硅（SCR） 壓敏電阻（MOV） TVS / ULTraMOV AC / DC DC / DC 轉(zhuǎn)換電路全波 / 半波整流電路 / 逆變電路雷電的防護雷電的防護 氣體放電管 能承受數(shù)百微秒內(nèi)數(shù)千安培瞬態(tài)雷電電流的沖擊。缺點是對雷電過電壓的波頭無法進行有效的保護。 壓 敏 電 阻 有較好的非線性，有很大的吸收能力，響應速度快。缺點是應用于DVI、ISDN等圖像傳輸設備上時，容易失真。同時容易老化。 熱 敏 電 阻 優(yōu)點是 內(nèi)阻小且穩(wěn)定，動作快、表面溫度低、耐高壓高溫。 固體放電管 是電力、通信領域中防雷器件的尖端產(chǎn)品，是氣體放電管、壓敏電阻的升級替代品。-電力系統(tǒng)器件

8、應用比較電力系統(tǒng)器件應用比較雷電防護的常見方法雷電防護的常見方法u1、采用多種防雷器件的組合來彌補某一器件的缺陷。例：MOV+PTC：對雷電波壓敏電阻能快速反應、引雷電流入地的作用。PTC則能保護通信電纜。u2、采用多器件、多級別的防護。例：氣體放電管應用其釋放能量大的特點，可作初級保護。而壓敏電阻適合做電源、內(nèi)部設備的保護。 l 用戶端設備 1、傳真機 2、 xDSL / Modem 3、公用電話 / 無繩電話 / 手機 / VoIP 4、T1 / E1 /J1 5、ISDN 設備 6、用戶線路板（SLIC） l 局端設備 1、公共分組交換機（PBX） 2、Internet 網(wǎng)關 3、交換機

9、 / 路由器 / 中繼器(HUB)l 轉(zhuǎn)接設備 各類基站（衛(wèi)星、微波；GSM/GPRS/CDMA）通信設備通信設備針對通信類產(chǎn)品,Teccor提供了SIDACtor (固體過壓保護器件).1、高速接口電路（USB2.0、IEEE1394、RF 電路、Gigabit以太網(wǎng)、DVI）通用應用 -接口電路2、中速接口電路（USB1.1、RS-485、以太網(wǎng)、視頻/圖像）3、 低速接口電路（RS-232、IEEE 1284、按鈕/開關、鍵盤）應用 1-手機應用 2-無繩電話應用 3-數(shù)碼相機電源 保護電路電路 一一 過流保護電路過流保護電路 1 過流保護電路的功能和組成 * 功能 發(fā)生過流時，立即某種

10、方式消除過流，保護電路器件不會損壞。* 產(chǎn)生過流的原因負載過載或輸出短路整流器件失效開關管失效干擾等因素造成的誤導通2 過流保護電路的設計（1）電流傳感器檢測過流保護電路* 組成電流信號檢測電路過流信號處理電路封鎖開關脈沖電路* 簡單的保護方法 利用熔斷器，但動作慢，不足以實現(xiàn)快速保護，一般使用由電子元器件構(gòu)成的保護電路。* 電流信號檢測電路DRSCSRCUS 脈沖電流后沿尖峰是開關管關斷時的初級漏感和引線電感造成的。 脈沖電流前沿尖峰是由次級整流二極管的反向恢復造成的變壓器次級暫時短路引起的。* 過流信號處理電路R1R2R3UREFUSU1 過流一般都是不正?，F(xiàn)象，或者是故障，所以過流保護應

11、該是不可以自恢復的。實現(xiàn)方式，反饋自鎖。 加兩級濾波后脈沖電流的前后沿尖峰明顯減小。* 封鎖開關脈沖電路（2）功率開關管過流狀態(tài)的自動識別* 注意，與截止時的電壓相區(qū)別。* 具有快速、可靠、方便的優(yōu)點?？勺枣i的處理電路R1R2R3UREFUSU1R4D1 把過流信號處理電路的輸出加到集成PWM控制器的保護信號輸入端即可。 * 根據(jù)：GTR、GTO、IGBT等的導通壓降是和導通時通過的電流有關的，當管子中電流增加時，其導通壓降也會明顯上升。 * 功率MOSFET是阻性負載，導通壓降也和導通時的電流有關。二二 輸出過壓、欠壓保護電路輸出過壓、欠壓保護電路 1 過壓、欠壓狀態(tài)的判斷R1R2UBR4R

12、3UCC0UAB* 比較器A用于輸出過壓判斷。* 比較器B用于輸出欠壓判斷。* 調(diào)整電阻R1、R2、R3可改變保護點。、* 正常時，UB=“0”；保護時， UB=“1”。CHURRRRRU13232上限下限CLURRRRU13232 保護 把過壓、欠壓判斷電路的輸出加到集成PWM控制器的保護信號輸入端即可。3 小功率電源中的過壓保護* 利用穩(wěn)壓二極管結(jié)合過流保護電路可實現(xiàn)。 * 選擇穩(wěn)壓值UZ大于輸出電壓1V左右的穩(wěn)壓二極管，當發(fā)生過壓時，穩(wěn)壓二極管反向擊穿，輸出電壓被箝位在UZ，同時產(chǎn)生較大的電流，使過流保護電路動作。* 對于瞬間的尖峰干擾，有吸收作用。U0CLDZ三三 輸入過壓保護電路輸入

13、過壓保護電路 1 輸入連續(xù)過壓保護（1）基本方法CC3C2R3R1R2R4R5R6R7DZT2T1AB* 是在濾波電容后取樣，對瞬間過壓不起作用。* 利用R6、R5、T1可改變基準電壓，避免產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。 * 保護時，利用發(fā)出的保護信號可封鎖PWM脈沖輸出、停止后級DC/DC變換器工作。（3）改進方法（2）存在問題 保護不徹底，后級DC/DC變換器雖停止工作，功率開關得到保護，但如果輸入電壓繼續(xù)上升超過濾波電容的耐壓值時，濾波電容會過壓擊穿。 * 在判斷保護后，發(fā)出保護信號同時，控制繼電器或接觸器動作、斷開主回路；不過壓時，繼電器觸點吸合，不影響正常工作。* 特點： 保護徹底，適合中、大功率電

14、源中應用； 電路復雜，成本高。2 輸入瞬間過壓保護（1）原因（2）保護方法 * 電網(wǎng)上電感性負載的開、關，雷電感應等都會在電網(wǎng)電壓上產(chǎn)生尖峰電壓，有的達數(shù)千伏。 * 這些尖峰電壓的能量有強有弱，一般雷電引起的尖峰電壓能量較強，有可能損壞電源。* 在輸入端并聯(lián)氧化鋅壓敏電阻。CRVEMI * 當交流尖峰電壓串入時，經(jīng)EMI濾波器后，有了一定的衰減； * 若衰減后的尖峰仍大于壓敏電阻的連續(xù)工作電壓值時，則壓敏電阻的阻值急劇下降，把尖峰能量吸收，電源得到保護。 * 要合理選擇壓敏電阻的連續(xù)工作電壓值，一般要高于連續(xù)工作電壓上限的20%左右。四四 軟啟動電路軟啟動電路 1 軟啟動 * 軟啟動是指電源啟

15、動時，其輸出電壓隨時間緩慢增加，變化規(guī)律如圖。 * 需要軟啟動的原因，是由于電源輸出濾波電容較大，開始工作時電容兩端電壓為零，未儲能；如果輸出電壓突然建立到額定值，將導致： * 軟啟動時間，指輸出電壓上升到0.9U0時所用時間，一般為幾百毫秒。 在很短時間內(nèi)形成很大的充電電流，對整流二極管、功率開關、電容自身都會造成嚴重的過流沖擊。 易使過流或短路保護動作，影響電源的正常啟動及使用壽命。tU00.9U0T12 軟啟動過程3 軟啟動實現(xiàn)方法 * 指電源啟動時，使功率開關管的驅(qū)動脈寬從0開始緩慢地展寬到額定輸出電壓時所對應的寬度。 * 軟啟動可利用電容的充電特性來實現(xiàn)。UREFCR2R1 * 供電

16、時，基準電壓UREF立刻建立，但電容C的存在，使電壓誤差放大器同相輸入端電壓從零逐漸上升、使PWM脈沖寬度從零開始緩慢展寬。 * 關機時，電容C通過電阻R2放電，再次啟動時仍具有軟啟動功能。5 軟啟動與輸入浪涌電流抑制電路的關系 * 在輸入濾波電容充電結(jié)束，限流電阻短路后，輸出軟啟動電路才開始工作。4 軟啟動控制電路設計 * 在各種PWM控制芯片里，一般都有軟啟動控制電路，只需要在設置端外接一個電容即可。* 如需要對其進行控制時：PWM控制XRCSS X=1時，三極管導通、無脈沖輸出； X=0時，三極管截止、正常啟動工作。五五 過熱保護過熱保護 1 熱敏電阻2 溫度開關4.4 熱回路設計 一

17、半導體器件熱設計的必要性1 器件芯片最高允許結(jié)溫的限制 器件芯片的溫度超過結(jié)溫，將引起器件電的或熱的不穩(wěn)定，而導致器件的失效。一般，硅材料在200以下，鍺材料在100 以下。二二 功率開關管損耗計算功率開關管損耗計算 1 電阻性負載開關管的開關損耗2 半導體器件還要受到溫度變化的限制 半導體芯片是通過焊劑焊在基座上的，因為其接觸部分熱膨脹系數(shù)不同，所以外部溫度頻繁變化時，會使結(jié)合面材料疲軟，致使兩個表面分離，最終導致器件的失效。RLuceicUitticucetontoff 開關管兩端電壓下降和開關管中電流上升是同步的，只是方向相反。onirtt 開通電流上升時間offiftt關斷電流下降時間

18、2 電感性負載開關管的開關損耗RLuceicUiiLiD * 在開關管截止期間，iC=0、 iL= iD，負載通過二極管續(xù)流、 uce=Ui。 * 導通時，iC增加到iL以前，二極管仍導通，uce=Ui，只有經(jīng)過tvr后iL= ic，二極管截止， uce下降、經(jīng)tvf后下降到零而關斷。 * 關斷時，iC稍一下降，二極管便開始導通、 uce經(jīng)很短時間tvr上升到Ui 、電流才開始明顯下降，經(jīng)tif后下降到零而關斷。)(6100ifirmittceccecoffonttIfUdtuifdtuifPirif)(6100ifvrvfirmittceccecoffonttttIfUdtuifdtuifP

19、irif3 開關管的導通損耗mcesmcesONONIDUIUTTP* 對于GTR、GTO、IGBT ，Uces有一定的參考值。* 對于MOSFET，一般給出Rds ，其損耗為 DRIPDSmON24 開關管的截止損耗很小可忽略二二 二極管損耗計算二極管損耗計算 1 二極管的反向恢復損耗ftUIPrrDMmrr5 . 02 二極管的通態(tài)損耗FmONUDIP3 二極管的開通損耗二極管的開通時間很短，開通損耗可忽略。4 二極管的截止損耗二極管的截止漏電流很小，截止損耗可忽略。UDM二極管承受的反向電壓三 熱的傳輸方式熱的傳輸有三種形式：傳導、對流、輻射 * 傳導是熱能從一個質(zhì)點傳導下一個質(zhì)點，而質(zhì)

20、點保持不動的過程。1 傳導12()KAPTTL * 熱的傳導與電的傳輸相似：上式中的P是熱流功率，A為傳導體的截面積，L為傳導體的長度，括號內(nèi)為溫度差。* K 是材料的導熱率，其量綱為W/cm2 。* 銅的導熱率為4.01；鋁的導熱率為2.25。 * 此式與導體中的電流計算式相似，所以可以應用分析電路的方法分析熱路。 * 對流我們都很熟悉，天氣的變化就是一種對流，稱為自然對流。相對的還有強迫對流，就是強迫將被加熱的介質(zhì)帶走熱量。2 對流LRS12U UIR12()KSIU UL12()KAPTTL * 被加熱的介質(zhì)變輕，自然上升帶走熱量，稱為自然對流.3 輻射 * 輻射是借助于電磁波的形式將熱

21、傳輸出去。它與輻射面的表面積、粗糙度和顏色有關。* 三種傳熱方式往往同時存在，熱傳輸是多維的。 * 如，芯片到外殼的熱傳輸主要是傳導，對流和輻射可忽略不計；在高空條件下，對流處于次要地位，主要是傳導和輻射散熱。四 熱路歐姆定律1 熱阻 * 表示介質(zhì)傳熱的能力，其意義就是單位功耗所引起的溫升，用Rth表示。* 熱阻的單位是/W* 一般在說明熱阻時，要說明從某處到某處的熱阻。2 熱路歐姆定律* 根據(jù)熱電相似原理引入熱路的概念 * 在熱路中，熱流相當于電路中的電流，熱阻相當于電路中的電阻，溫度差相當于電位差。thabPRT * 即，當熱量從A物體向它周圍的B物體擴散，A物體的溫升等于A物體的發(fā)熱功率與從A到B的熱阻的乘積。 * 如物體內(nèi)有N個發(fā)熱點，其熱功率分別為P1、P2 Pn，則引起A處溫升的總功率為nPPPP213 等效熱路* 開關電源中的功率開關管或整流二極管的等效熱路 * 在散熱系統(tǒng)中，芯片會與外殼、殼與散熱器、殼與環(huán)境有熱交換，其溫度和熱阻分別如圖所示。 * 殼與環(huán)境的熱阻要遠大于殼與散熱器的熱阻，所以前一熱路可等效為后一熱路。* Tj、TC、TS、Ta分別是