協(xié)同電路保護(hù)方案使通信設(shè)備免受損害

　　在通信設(shè)備的正常使用過(guò)程中，由于惡劣的電磁環(huán)境可能造成個(gè)別元器件的損壞，導(dǎo)致通信設(shè)備不能正常工作，造成重大損失。為了確保通信設(shè)備的安全，通常在通信設(shè)備中設(shè)計(jì)有關(guān)保護(hù)電路。常用的保護(hù)器件按工作原理劃分，主要有過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)溫度保護(hù)和EMI保護(hù)等幾大類。根據(jù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的不同方法，相同功能的保護(hù)器件也有不同種類可供選用。在實(shí)際運(yùn)用中，為了確保滿足設(shè)備的保護(hù)和可靠性要求，保護(hù)電路往往采用多重協(xié)同保護(hù)(多級(jí)保護(hù))。

　　通信設(shè)備電路的保護(hù)

　　在通信設(shè)備的正常使用過(guò)程中，交流電網(wǎng)和通信線路上會(huì)出現(xiàn)雷擊浪涌電壓、火花放電等EMI瞬態(tài)干擾信號(hào)。瞬態(tài)干擾的特點(diǎn)是作用時(shí)間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。當(dāng)瞬態(tài)電壓疊加在控制系統(tǒng)的輸入電壓上，使輸入通信設(shè)備系統(tǒng)的電壓超過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部器件的極限電壓時(shí)，便會(huì)損壞通信設(shè)備的電源;當(dāng)瞬態(tài)電壓疊加在通信線路上時(shí)，瞬間高壓便會(huì)損壞信號(hào)環(huán)路中傳輸、控制的元器件。另外，由于電力線搭碰、感應(yīng)，通信電路上有可能出現(xiàn)持續(xù)的過(guò)電壓、過(guò)電流，如不加保護(hù)也有可能損壞通信電路或器件，甚至造成火災(zāi)和生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，必須采用恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，對(duì)通信系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行防護(hù)。

　　通信設(shè)備電路常用保護(hù)器件與工作特性

　　過(guò)電壓保護(hù)器件通常有高阻抗特性，當(dāng)電壓達(dá)到它的過(guò)電壓保護(hù)值以上時(shí)，就轉(zhuǎn)換到低阻抗;一旦過(guò)電壓故障消失，保護(hù)器件會(huì)返回到高電阻狀態(tài)，是一種可恢復(fù)器件。常用的過(guò)電壓保護(hù)器件有SiBar(半導(dǎo)體晶閘管浪涌保護(hù)器件)、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)、MOV(金屬氧化物可變電阻)、和GDT(氣體放電管)等。

　　相反，過(guò)電流保護(hù)元件通常有低阻抗特性，當(dāng)通過(guò)它的電流達(dá)到過(guò)電流保護(hù)值以上時(shí)，轉(zhuǎn)換到高阻抗。常用的過(guò)電流保護(hù)器件有PPTC(聚合物正溫度系數(shù))、CPTC(陶瓷正溫度系數(shù))等，它們的共同特點(diǎn)是可重置，而不像保險(xiǎn)絲為一次性的不可恢復(fù)器件。可恢復(fù)過(guò)電流保護(hù)元件的優(yōu)勢(shì)很明顯，一旦過(guò)電流故障消失，保護(hù)器件冷卻后會(huì)返回到低電阻狀態(tài)。

　　1 過(guò)電壓保護(hù)器件SiBar

　　過(guò)電壓保護(hù)器件按工作原理可以分為鉗位型過(guò)電壓保護(hù)器件和折返式過(guò)電壓保護(hù)器件，常用的鉗位型過(guò)電壓保護(hù)器件有MOV(Metal oxide Varistors)和二極管，而折返式過(guò)電壓保護(hù)器件有GDT和可控硅過(guò)電壓保護(hù)器件。折返式過(guò)電壓保護(hù)器件的I/V曲線如圖1所示，它較鉗位型過(guò)電壓保護(hù)器件具有體積小和功耗低的優(yōu)點(diǎn)。SiBar就是一種基于N型半導(dǎo)體的折返式可控硅浪涌電壓過(guò)電壓保護(hù)器件(TSP)。

　　圖1 折返式過(guò)電壓保護(hù)器件的I/V曲線

　　SiBar在浪涌電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)起分流的作用。當(dāng)浪涌電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)，SiBar工作在保護(hù)特性曲線的低阻區(qū)，形成一個(gè)低阻通路，有效地降低過(guò)電壓。SiBar器件保持低阻狀態(tài)直到流過(guò)該器件的電流下降到低于保持電流。在過(guò)電壓事件過(guò)去之后，SiBar器件自動(dòng)恢復(fù)到高阻狀態(tài)。

　　2 瞬態(tài)電壓抑制器

　　① 瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理

　　瞬態(tài)電壓抑制器的電路符號(hào)與普通穩(wěn)壓二極管相同，縮寫(xiě)為TVS。它的正向特性與普通二極管相同，反向特性與典型的PN結(jié)雪崩器件相同。在浪涌電壓的作用下，瞬態(tài)電壓抑制器兩電極之間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VFM上升到擊穿電壓VBR，產(chǎn)生擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過(guò)瞬態(tài)電壓抑制器的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP，在其兩端的電壓被鉗位到最大鉗位電壓VC以下。然后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，瞬態(tài)電壓抑制器兩電極間電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)，這就是瞬態(tài)電壓抑制器抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的工作過(guò)程。

　　目前，瞬態(tài)電壓抑制器已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信設(shè)備、交/直流電源、汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表(電度表)、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數(shù)字照相機(jī)的保護(hù)、共模/差模保護(hù)、RF耦合/IC驅(qū)動(dòng)接收保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。

　　瞬態(tài)電壓抑制器主要有反向斷態(tài)電壓(截止電壓)VRWM與反向漏電流IR、擊穿電壓VBR、脈沖峰值電流IPP、最大鉗位電壓VC、脈沖峰值功率Pm、穩(wěn)態(tài)功率PO和極間電容Cj等參數(shù)。

　　② 瞬態(tài)電壓抑制器的分類

　　瞬態(tài)電壓抑制器按極性可以分為單極性和雙極性兩種，單向瞬態(tài)電壓抑制器的特性與穩(wěn)壓二極管相似，雙向瞬態(tài)電壓抑制器的特性相當(dāng)于兩個(gè)穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)。

　　按用途，瞬態(tài)電壓抑制器可以分為通用型瞬態(tài)電壓抑制器和特殊電路適用的專用型瞬態(tài)電壓抑制器。如果按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分，瞬態(tài)電壓抑制器又可以分為軸向引線、雙列直插瞬態(tài)電壓抑制器陣列(適用多線保護(hù))、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

　　3 金屬氧化物可變電阻

　　金屬氧化物可變電阻(MOV)是一種陶瓷元件，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它是由氧化鋅微粒組成的多晶半導(dǎo)體過(guò)電壓抑制器件，典型應(yīng)用產(chǎn)品是氧化鋅壓敏電阻。利用其良好的伏安特性可以將沖擊電壓限制在一定范圍內(nèi)。其主要技術(shù)參數(shù)有通電流能力、沖擊擊穿電壓和殘電壓。

　　金屬氧化物可變電阻能承受較大的電流沖擊，具有較快的響應(yīng)速度，可達(dá)到毫微秒級(jí)，價(jià)格較便宜。金屬氧化物可變電阻的不足之處在于它的體積和電容值較大，存在一定的漏電流，如果質(zhì)量不好，漏電流將逐漸增大甚至損壞;同時(shí)金屬氧化物可變電阻的殘電壓較高，鉗位效果較差。沖擊電流越大，鉗位電壓就越高，反復(fù)沖擊耐受能力差，它多次受沖擊后工作特性變壞，會(huì)影響到其使用效果和工作壽命。

　　4 氣體放電管

　　氣體放電管(GDT)是把一對(duì)放電間隙封裝在充以放電介質(zhì)(如惰性氣體)的玻璃或陶瓷中的器件。常用氣體放電管的沖擊擊穿電壓在一百多伏到幾千伏，一旦沖擊過(guò)電壓達(dá)到?jīng)_擊擊穿電壓時(shí)，氣體放電管內(nèi)的氣體電離，其由原來(lái)的開(kāi)路狀態(tài)變?yōu)榻贫搪窢顟B(tài)。

　　由于氣體放電管可以容納較高的脈沖電流、電容較低，但脈沖電壓擊穿滯后較多，一般用氣體放電管作為第一級(jí)保護(hù)元件，常用的氣體放電管的外形如圖2所示。

　　圖2 常用氣體放電管的外形圖

　　5 正溫度系數(shù)(PTC)電阻器

　　實(shí)用中，正溫度系數(shù)(PTC)電阻器可用于過(guò)電流/過(guò)溫度保護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)合，是一種限電流固態(tài)元件。PTC電阻器在正常溫度下呈現(xiàn)歐姆特性，當(dāng)超過(guò)一個(gè)特定溫度以后，電阻值急劇上升104～106倍。當(dāng)故障排除之后，PTC電阻器能自動(dòng)恢復(fù)到低電阻狀態(tài)，重新接通電路，因此使用中不需要維護(hù)。使用中，PTC元件和被保護(hù)電路串聯(lián)連接，當(dāng)電路中的電流迅速增加時(shí)，PTC的電阻迅速增加，從而限制電路過(guò)電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)對(duì)象的保護(hù)，這一過(guò)程被稱之為PTC的“動(dòng)作”。

　　PTC按材料構(gòu)成又可以分為PPTC和CPTC兩大類，PPTC為聚合物正溫度系數(shù)電阻器，CPTC為陶瓷正溫度系數(shù)電阻器。PPTC器件是一種較新的技術(shù)，它克服了陶瓷器件的缺點(diǎn)，具有體積小、電容小、動(dòng)作快的特點(diǎn)。

　　PolySwitch(PSW)保護(hù)元件(PPTC)是由聚合物原料摻合導(dǎo)電顆粒制成的，如圖3所示。在正常溫度下，原材料結(jié)晶狀結(jié)構(gòu)將導(dǎo)體顆粒緊密束縛在一起，形成多個(gè)低電阻通路。當(dāng)大電流通過(guò)或周圍環(huán)境溫度升高導(dǎo)致PPTC元件的溫度高于動(dòng)作溫度時(shí)，聚合物中的晶體融化而變成無(wú)規(guī)律排列，體積微膨脹、低電阻通路斷開(kāi)，導(dǎo)致電阻迅速增加。

　　圖3 PolySwitch(PSW)聚合物PTC的結(jié)構(gòu)圖

　　PolySwitch的工作原理如圖4所示。圖4中的點(diǎn)1溫度較低，產(chǎn)生的熱和散發(fā)的熱達(dá)到平衡。但是，當(dāng)電路中流過(guò)較大的電流或產(chǎn)生過(guò)多的熱時(shí)，使PolySwitch元件的溫度升高，不過(guò)，若電流或環(huán)境溫度增加不顯著，PolySwitch元件產(chǎn)生的熱可以散發(fā)到外部環(huán)境中，從而在點(diǎn)2達(dá)到平衡。當(dāng)電流或環(huán)境溫度再增加時(shí)，PolySwitch元件的溫度會(huì)再達(dá)到一個(gè)更高的溫度，如圖3中的點(diǎn)3，此時(shí)如果電流或環(huán)境溫度再進(jìn)一步增加，PolySwitch元件產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)出去的熱量，使得其溫度迅速增高。在這個(gè)階段，很小的溫度變化就會(huì)產(chǎn)生很大的阻值變化，這一現(xiàn)象可從圖3中的點(diǎn)3到點(diǎn)4之間的變化看出。這時(shí)PolySwitch元件處于保護(hù)動(dòng)作狀態(tài)，其阻值升高限制了通過(guò)電路中的電流，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)功能。當(dāng)溫度回降到正常溫度時(shí)，PolySwitch元件又回到低電阻狀態(tài)。

　　圖4 PPTC的溫度與阻值變化曲線

　　圖5表示PPTC元件過(guò)電流/過(guò)溫度后，當(dāng)過(guò)電流/過(guò)溫度故障消除后，PPTC元件阻值的恢復(fù)曲線?？梢?jiàn)即使若干小時(shí)后，PPTC元件的阻值仍然大于初始阻值，電阻的減降將需持續(xù)一段較長(zhǎng)的時(shí)間，最終電阻才會(huì)接近初始電阻，這個(gè)時(shí)間可能是幾天、幾個(gè)月或更久。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，要使PPTC元件的阻值恢復(fù)到初始值是不現(xiàn)實(shí)的。所以在選用PPTC元件時(shí)，在決定PPTC的保持電流時(shí)就應(yīng)考慮PPTC元件動(dòng)作后并恢復(fù)1小時(shí)后的初始電阻RImax這個(gè)參數(shù)。

　　圖5 PPTC的阻值恢復(fù)曲線

　　6 過(guò)電流/過(guò)電壓綜合保護(hù)模組

　　在以往，單個(gè)元件一直是電路保護(hù)中的主角，但是隨著電子產(chǎn)品技術(shù)和需求的發(fā)展，融合兩種或更多技術(shù)、材料的綜合保護(hù)器件或模組將會(huì)越來(lái)越多。

　　PolyZen產(chǎn)品是PPTC和半導(dǎo)體材料融合的一個(gè)成功案例。PolyZen微型集成模塊元件內(nèi)置了一個(gè)穩(wěn)壓齊納二極管和一個(gè)非線性PPTC電阻層，為采用圓桶形插口作為直流電源輸入的便攜設(shè)備提供過(guò)電流/過(guò)電壓綜合保護(hù)，避免由于感應(yīng)電壓尖峰、電壓瞬變、不正確電源和極性接反所導(dǎo)致的損壞現(xiàn)象。美國(guó)泰科電子公司瑞侃電路保護(hù)產(chǎn)品部的PolyZen微型集成保護(hù)模塊可用于硬盤驅(qū)動(dòng)器、便攜電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)和汽車電子等應(yīng)用場(chǎng)合。它具有耐受能量大、電壓鉗位穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，可用于不正確的電源電壓、電壓的瞬態(tài)過(guò)高和極性反轉(zhuǎn)保護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)合;同時(shí)具有過(guò)熱、過(guò)流保護(hù)功能。

　　與PolyZen類似，融合PPTC和MOV(金屬氧化物壓敏電阻)器件的2Pro單片過(guò)電壓/過(guò)電流保護(hù)器，具有體積小、電力線搭碰/感應(yīng)測(cè)試后自動(dòng)恢復(fù)和有助于防護(hù)電路過(guò)電壓的優(yōu)點(diǎn)。可用于VoIP網(wǎng)關(guān)、無(wú)線電話、傳真機(jī)、機(jī)頂盒、低成本電信系統(tǒng)和客戶端設(shè)備的過(guò)電壓/過(guò)電流保護(hù)應(yīng)用場(chǎng)合。

　　通信設(shè)備電路保護(hù)實(shí)例

　　采用GDT和SiBar的電信設(shè)備兩級(jí)協(xié)同保護(hù)電路工作原理圖如圖6所示。在圖6所示的保護(hù)電路中，首先采用了GDT作為第一級(jí)過(guò)電壓保護(hù)，將來(lái)自電信線的過(guò)電壓干擾信號(hào)加以抑制，這些干擾信號(hào)可能是雷電干擾信號(hào)或由大功率設(shè)備開(kāi)關(guān)機(jī)而引入的開(kāi)關(guān)機(jī)浪涌高幅值脈沖干擾信號(hào)。由于GDT的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，為了提高保護(hù)效果，又采用了響應(yīng)速度很快的折返式可控硅浪涌電壓過(guò)電壓保護(hù)器件SiBar作為第二級(jí)過(guò)電壓保護(hù)。兩級(jí)過(guò)電壓器件間的線電阻提供耦合，與兩級(jí)過(guò)電壓器件一起構(gòu)成兩級(jí)協(xié)同過(guò)電壓保護(hù)，從而確保被保護(hù)電信設(shè)備免受雷擊浪涌侵害。

　　圖6 采用GDT和SiBar的電信設(shè)備雙重協(xié)同保護(hù)電路工作原理圖

　　在圖7所示的電信設(shè)備三重協(xié)同保護(hù)電路中，采用了GDT作為第一級(jí)過(guò)電壓保護(hù)，其后串聯(lián)了PolySwitch過(guò)電流保護(hù)器件，第二級(jí)過(guò)電壓保護(hù)則采用了響應(yīng)速度很快的折返式可控硅浪涌電壓過(guò)電壓保護(hù)器件SiBar。采用三重協(xié)同過(guò)電壓/過(guò)電流保護(hù)，既可以確保被保護(hù)電信設(shè)備免受雷擊浪涌侵害，又可以保護(hù)電信設(shè)備因電力線感應(yīng)或電力線搭碰造成的損壞。

　　圖7 采用GDT、PolySwitch和SiBar的電信設(shè)備三重協(xié)同保護(hù)電路工作原理圖

　　很多設(shè)備都可以使用該種保護(hù)電路。例如，為傳真機(jī)供電的220V電源及接入傳真機(jī)的電話線應(yīng)有避雷裝置，可以采用圖6所示的兩級(jí)過(guò)電壓協(xié)同保護(hù)電路;如果對(duì)傳真機(jī)的保護(hù)功能要求更高，則可以采用圖7所示的三級(jí)過(guò)電壓/過(guò)電流協(xié)同保護(hù)電路，在有雷電進(jìn)入的情況下可以避雷，確保傳真機(jī)可靠工作。

　　如果在圖6、圖7的基礎(chǔ)上再添加一級(jí)欠電壓保護(hù)功能，則可以在市電電壓下，實(shí)現(xiàn)傳真機(jī)的過(guò)電壓和欠電壓保護(hù)。當(dāng)傳真機(jī)的供電超過(guò)260V或低于170V時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)供電電源，完成過(guò)電壓和欠電壓保護(hù)，這對(duì)那些供電電壓不穩(wěn)定地區(qū)的傳真機(jī)使用有很大的好處。

　　再如，移動(dòng)通信基站一般都安裝在建筑物上或較高位置上，位于很容易受到嚴(yán)重雷擊和浪涌電流損壞的戶外環(huán)境中。浪涌電流會(huì)導(dǎo)致基站無(wú)法正常工作，更為嚴(yán)重的是，如果對(duì)浪涌電流不加以阻止，任其到達(dá)手機(jī)基站電子系統(tǒng)的線路和電子部件內(nèi)部，將有可能損壞基站設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)有可能導(dǎo)致火災(zāi)危險(xiǎn)。對(duì)于這種應(yīng)用場(chǎng)合，不但需要保護(hù)基站的信號(hào)線路，還要保護(hù)基站的電源、在配電箱內(nèi)安裝防電浪涌保護(hù)裝置。如果有必要，還應(yīng)當(dāng)增加過(guò)流、過(guò)熱和EMI等保護(hù)，進(jìn)一步完善保護(hù)功能。

　　結(jié)語(yǔ)

　　由于使用環(huán)境的苛刻，以及對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的要求，電信系統(tǒng)需要采用多重保護(hù)。系統(tǒng)中的設(shè)備應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境和設(shè)備的特點(diǎn)選用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)元件構(gòu)成滿足系統(tǒng)保護(hù)要求的解決方案。依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)合理的保護(hù)電路、選用品質(zhì)優(yōu)良的適用元件，是保證通信設(shè)備安全的牢固基石。