常用过压、过流、过温保护器件之选型技巧

szvact | 2015-01-26 12:00:22 阅读：1021

常用过压、过流、过温保护器件之选型技巧

来源: CNT Netwouks 发布时间: 2015-01-25 12:18 3 次浏览大小: 16px 14px 12px

随着电子系统的复杂性和集成度越来越高，而工作电压越来越低，电子系统对可靠性、稳定性和安全性的要求也越来越高，电路保护设计的重要性也越来越强。在电路保护设计中，电路保护器件的选择和应用是否合理，将直接影响电子系统电路保护方案的保护效果。为了帮助工程师正确选择电路保护器件，合理应用电路保护器件设计高效的电路保护解决方案，本期大讲台将分三部分进行介绍：第一部分介绍常见的电路保护器件之选型技巧；第二部分重点分析保险丝、瞬态电压抑制器、ESD保护器件、防雷保护器件等的实际应用方案；第三部分将结合电子元件技术网论坛和电路保护与电磁兼容研讨会中关于选用电路保护器件的讨论，整理出电路保护设计过程中较常遇到的难题Q&A。

第一讲：常用过压、过流、过温保护器件之选型技巧

2012-01-11 来源：CNT Netwouks

中心议题：

过压保护器件的选型要点

过流保护器件的选型技巧

过温保护器件的选型考虑

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电路保护主要有三种形式：过压保护、过流保护和过温保护。选择适当的电路保护器件是实现高效、可靠的电路保护设计之关键的第一步，那么，如何合理选择电路保护器件？不同的保护器件其保护原理也各有不同，选择的时候应结合其保护原理、工作条件和使用环境来考虑。本文将介绍常用的几种过压、过流和过温保护器件之选型技巧，帮助工程师正确选择电路保护器件。

1. 过压保护器件的选型要点

过压保护器件（OVP）用于保护后续电路免受甩负载或瞬间高压的破坏，常用的过压保护器件有压敏电阻、瞬态电压抑制器、静电抑制器和放电管等。过压保护器件选型应注意以下四个要点：

1）关断电压Vrwm的选择。一般关断电压至少要比线路最高工作电压高10％

2）箝位电压VC的选择。VC是指在ESD冲击状态时通过TVS的电压，它必须小于被保护电路的能承受的最大瞬态电压

3）浪涌功率Pppm的选择。不同功率，保护的时间不同，如600w（10/1000us）；300W（8/20us）

4）极间电容的选择。被保护元器件的工作频率越高，要求TVS的电容要越小

1.1 ESD抑制器

选择合适的ESD保护器件，最大的难点在于如何最容易地明确哪种器件可以提供最大的保护。系统供应商一般是通过数据手册上的ESD额定值（或标称值）来比较ESD保护器件的好坏。事实上，从这些额定值根本看不出器件保护系统的能力有多强，关键取决于其二极管参数。主要的参考系数应该是：

快速响应时间

低箝位电压

高电流浪涌承受能力

AEM（苏州）科技有限公司副总经理郑索平介绍，选择ESD器件应该遵循下面的要求：

（1）选择静电保护器件注意：

• 箝制电压不要超过受保护器件的最大承受电压

• 电路电压不超过保护器件工作电压

• 低电容值、漏电流尽可能的减少干扰及损耗

（2）静电保护器件尽量安装在最接近静电输入的地方，远离被保护器件

（3）静电保护器件一定接的大地线，不是数字地线

（4）回地的线路尽量的短，静电保护器件与被保护线路之间的距离尽量的短

（5）尽量避免被保护与未被保护线路并排走线

1.2压敏电阻

压敏电阻是一种用得最多的限压器件。广泛的应用在汽车电子、通迅、计算机、消费类电子产品、军用电子产品等方面，特别是在LCD、键盘、I/O 接口、IC、MOSFET、CMOS、传感器、手机、DVD、AV、ABS、马达控制板、MP3、PDA、USB接口及高速数据信号线路上进行保护等。

压敏电阻选用时应注意的是：连续施加在压敏电阻两端的电源电压，不能超过规格表中列出的¡°最大持续工作电压¡±值。还要充分考虑到电网（或电路）工作电压的波动幅度, 选取压敏电阻的压敏电压值时，要留有足够的余量。国内一般的波动幅度为30%。通过压敏电阻的最大浪涌电流不应超过技术规格书中的¡°最大冲击电流¡±值 (也就是最大通流量)。考虑到要耐受多次冲击时，应该选用能耐受10次以上冲击的浪涌电流值。压敏电阻的箝位电压必须小于被保护的部件或设备能承受的最大电压（即安全电压）。

1.3 瞬态电压抑制器TVS

瞬态电压抑制器（TVS）是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

瞬态电压抑制二极管（TVS）广泛应用在半导体及敏感的电子零件过电压、ESD保护上，主要包括：消费类产品、工业产品、通讯、电脑、汽车、电源供应品、信号线路保护及军事、航天航空导航系统及控制系统上。最大箝位电压VC不可大于被保护设备最大的安全电压，以及反向工作电压（反向断态电压）须大于线路正常工作电压，是使用TVS管时必须注意的问题，另外，交流电压只能用双向TVS。

TVS管的选用应注意以下几点：

确定被保护电路的最大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端”容限。

TVS额定反向关断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。串行连接分电压，并行连接分电流。

TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。

在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在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。

对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。

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；多线保护选用TVS阵列更为有利。

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在一个变化的温度工作，由于其反向漏电流IR是随增加而增大；功耗随 TVS结温增加而下降，从+25℃到+175℃，大约线性下降50％雨击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。

1.4 陶瓷气体放电管

陶瓷气体放电管属于开关组件，用于电源防雷器共模电路中将雷电流泄放入地，也可用在差模电路中与压敏电阻串联而阻断其漏电流。在信号防雷器中常用于第一级泄放浪涌电流，由于其反应速度慢，还要用第二级作限压保护。

在选择陶瓷气体放电管时应注意：

陶瓷气体放电管不能直接用在电源上做差模保护；

击穿电压要大于线路上最大信号电频电压；

耐电流不能小于线路上可能出现的最大异常电流；

还有脉冲击穿电压须小于被保护线路电压。

2 过流保护器件的选型

过流保护器件主要有一次性熔断器、自恢复熔断器、熔断电阻和断路器等，其中，最重要的过流保护器件是熔断器，也叫保险丝。它一般串联在电路中，要求其电阻要小（功耗小），当电路正常工作时，它只相当于一根导线，能够长时间稳定的导通电路；由于电源或外部干扰而发生电流波动时，也应能承受一定范围的过载；只有当电路中出现较大的过载电流(故障或短路)时，熔断器才会动作，通过断开电流来保护电路的安全，以避免产品烧毁的危险。

在熔断器分断电路的过程中，由于电路电压的存在，在熔体断开的瞬间会发生电弧，高质量的熔断器应该尽量避免这种飞弧；在分断电路后，熔断器应能耐受加在两端的电路电压。熔断器受脉冲损伤会逐步降低承受脉冲的能力，选用时需要考虑必要的安全余量；这个安全余量是指熔断器的总熔断(动作)时间，它是预飞弧时间和飞弧时间之和。所以在选择的时候需要留意它的熔断特性和额定电流这个基本条件；另外安装时要考虑熔断器周边的环境，熔断器只有达到本身的熔化热能值的时候才会熔断，如果是在环境较冷的状况下，它的熔断时间会变化，这是使用时必须留意的。

总的来说，保险丝的选型应注意以下十个要素：

额定电流；

额定电压；

环境温度；

电压降 / 冷电阻；

熔断特性: 过载能力，时间 / 电流特性；

分断能力；

熔化热能值；

耐久性（寿命）；

结构特征：外形 / 尺寸，安装形式；

安全认证

结合以上的十个保险丝选用注意要素，保险丝的选用可根据下图所示的流程来进行。

相关性阅读：

【Class1】常用过压、过流、过温保护器件之选型技巧

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【Class2】保险丝的应用方案及常见问题解答

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瞬态电压抑制器（TVS）具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、家用电器、仪器仪表等各个领域。本文将结合TVS应用的特点及使用注意事项，介绍TVS的几种典型应用电路，并通过TVS在热插拔电路保护和汽车电源线保护中应用的实例，来详细探讨如何正确应用TVS和使TVS的应用效能最佳。

在实际的应用电路中，处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。为达到这一目的，将TVS在线路板上与被保护线路并联。这样，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TNS将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS被引开，从而避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。在此之后，当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管再自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。

1 TVS应用的三大特点

1）将TVS二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或单片机因瞬间的脉冲，如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。

2）静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲，并能持续10ms；而一般的TTL器件，遇到超过30ms的10V脉冲时，便会导至损坏。利用TVS二极管，可有效吸收会造成器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的干扰（Crosstalk）。

3）将TVS二极管放置在信号线及接地间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。

2 TVS管在使用中应注意的事项

对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变化莫测，事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。

对小电流负载的保护，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，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保护。

对重复出现的瞬变电压的抑制，尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。

3 TVS的典型应用电路

3.1 TVS在交流电路中的应用　　

图1所示是一个双向TVS在交流电路中的应用电路。应用TVS可以有效地抑制电网带来的过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。图1中的TVS箝位电压应不大于电路的最大允许电压。

图1 双向TVS在交流电路中的应用电路

3.2 用TVS保护直流稳压电源　　

图2是一个直流稳压电源，在其稳压输出端加上TVS，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压，从而保护晶体管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS管，这样可以大幅度地提高整机的可靠性。

图2 TVS保护直流稳压电源

3.3 用TVS保护晶体管电路　　

各种瞬变电压能使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏，特别是晶体管集电极有感性(线圈、变压器、电动机)负载时，通常会产生高压反电势，因而可能使晶体管损坏。在实际应用中，建议采用TVS作为保护器件。图3所示为TVS保护晶体管的四种电路实例。

图3 TVS保护晶体管电路

3.4 用TVS保护集成运放　　

集成运放对外界电应力非常敏感。因此，在使用运放的过程中，如果因操作失误或采取了不正常的工作条件，往往会出现过大的电压或电流，特别是浪涌和静电脉冲，从而很容易使运放受损或失效。图4所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。

图4 TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路