聯(lián)合式電路保護(hù)防止損壞DVB網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

業(yè)界各標(biāo)準(zhǔn)組織正在就擴(kuò)展當(dāng)前的DVB技術(shù)規(guī)格展開(kāi)密切合作。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)交換和傳輸設(shè)備制造商還必須滿足行業(yè)安全方面的要求，如由ITU-T頒布的安全要求。ITU-T的推薦標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要采用過(guò)電流和過(guò)電壓保護(hù)，以達(dá)到電信基礎(chǔ)設(shè)施和客戶方設(shè)備能夠安全運(yùn)行的目的。

PolySwitch聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)器件和SiBar浪涌保護(hù)器件(TSPD)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，它們能夠幫助網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)人員和制造商滿足安全和性能方面的要求。PolySwitch器件能夠在局端交換設(shè)備、模擬和數(shù)字式線路卡、VoIP設(shè)備、DSL和ISDN調(diào)制解調(diào)器以及用戶端設(shè)備中提供過(guò)電流保護(hù)功能。PPTC器件的可復(fù)位功能、較小的體積和低阻值的特性使其很適合這些方面的應(yīng)用。

圖1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的聯(lián)合式過(guò)電流/過(guò)電壓電路保護(hù)系統(tǒng)


SiBar TSPD器件的設(shè)計(jì)旨在幫助通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商滿足ITU-T K.20和K.21推薦標(biāo)準(zhǔn)所要求的過(guò)電壓保護(hù)水平。TSPD器件也可與其它器件聯(lián)合組成次級(jí)電路保護(hù)器，包括PolySwitch PPTC器件。TSPD的主要優(yōu)勢(shì)在于小巧的體積、導(dǎo)通狀態(tài)下較低的功耗以及精確的“轉(zhuǎn)折”電壓。

圖1所示為一套聯(lián)合式過(guò)電流/過(guò)電壓保護(hù)系統(tǒng)，供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商在滿足ITU-T K.20要求時(shí)使用。SiBar TSPD器件有助于保護(hù)敏感的電子設(shè)備，使其不受快速過(guò)電壓事件的影響，其中包括雷擊瞬態(tài)事件。線路饋入電阻器可以在調(diào)節(jié)通信線路上的穩(wěn)態(tài)電流時(shí)使用。

PolySwitch器件提供了某些異常運(yùn)行條件下的電流限制功能，如電力線搭碰和電力線感應(yīng)現(xiàn)象。這種器件具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于電壓低于SiBar器件的轉(zhuǎn)折電壓的故障，這種器件可提供能夠保護(hù)系統(tǒng)的可復(fù)位式的電流限制功能；對(duì)于高于SiBar器件轉(zhuǎn)折電壓的故障，這種器件可提供能夠保護(hù)SiBar器件本身的可復(fù)位電流限制功能。此外，PPTC器件的基本電阻可以進(jìn)行選擇，從而限制超出SiBar器件轉(zhuǎn)折電壓的瞬態(tài)故障中的電流。

在聯(lián)合式保護(hù)方案中，這種器件的可復(fù)位功能有助于改善最終用戶的系統(tǒng)使用時(shí)間，減少運(yùn)行和維修成本，并增強(qiáng)用戶的整體滿意度。

圖2 保持電流和動(dòng)作電流作為溫度函數(shù)的示例

 
PPTC器件能夠提高

電信設(shè)備的可靠性
PolySwitch器件用于保護(hù)敏感的電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，保證其不會(huì)由于過(guò)電流故障而被損壞。在發(fā)生這種故障時(shí)，PPTC器件的電阻將從其基本電阻值上升到一個(gè)更高的電阻值，從而有效地隔離故障。

對(duì)于200~350mA之間的電流，典型的250V PPTC器件將在線路接口發(fā)生損壞前動(dòng)作，而其它解決方案，如抗雷擊熔斷器，不會(huì)在出現(xiàn)超過(guò)500mA的過(guò)電流故障前跳閘，從而導(dǎo)致大電流流經(jīng)用戶的線路接口卡(SLIC)。

電信應(yīng)用中要求熔斷器采用很高的電流額定值。采用尺寸過(guò)大的熔斷器所產(chǎn)生的后果之一是，有可能在故障條件下出現(xiàn)很高的表面溫度，導(dǎo)致設(shè)備受損或出現(xiàn)不安全狀況。在發(fā)生超過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行電流的故障，而且這個(gè)電流沒(méi)有高到足以導(dǎo)致熔斷器及時(shí)動(dòng)作的情況下，抗雷擊熔斷器有可能達(dá)到不符合要求的溫度值。

在給定的故障電流下，PPTC器件的動(dòng)作快于表面安裝的熔斷器。器件的動(dòng)作時(shí)間會(huì)影響過(guò)電流保護(hù)器件的允許通過(guò)能量和表面溫度，這兩點(diǎn)均是在電路設(shè)計(jì)時(shí)要予以考慮的重要因素。

圖3  TSPD的原理圖

PPTC器件的工作原理

與傳統(tǒng)的熔斷器相似的是，PPTC器件能夠限制故障狀況下的大電流通過(guò)。但是，PPTC器件能夠在故障狀況排除或電源斷開(kāi)后復(fù)位。

PPTC電路保護(hù)器件采用半晶體狀聚合物與導(dǎo)電性顆粒復(fù)合制造。在正常溫度下，這些導(dǎo)電性顆粒在聚合物內(nèi)構(gòu)成了低電阻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是，如果溫度上升到器件的切換溫度(TSw)時(shí)，無(wú)論這種狀況是大電流造成的，還是由于環(huán)境溫度的上升造成的，聚合物內(nèi)的晶體物質(zhì)將會(huì)融化并成為無(wú)定形物質(zhì)。在晶體相融化階段出現(xiàn)的體積增大會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性顆粒在液力作用下分隔，并使器件的電阻值出現(xiàn)巨大的非線性增長(zhǎng)。

典型情況下，電阻值將增加3~4個(gè)數(shù)量級(jí)。電阻值增加后能夠?qū)⒐收蠗l件下流經(jīng)的電流數(shù)量降低到一個(gè)較低的穩(wěn)態(tài)水平，從而保護(hù)電路內(nèi)的設(shè)備。在故障排除以及電路電源斷開(kāi)以前，PPTC器件將保持在閂鎖(高阻值)狀態(tài)，而故障排除以及電路電源斷開(kāi)時(shí)，導(dǎo)電性復(fù)合材料冷卻下來(lái)并重新結(jié)晶，將PPTC恢復(fù)成電路內(nèi)的低阻值狀態(tài)，受影響的設(shè)備也恢復(fù)到正常的運(yùn)行狀況。

圖4  TSPD器件一側(cè)的橫截面圖


PPTC器件在電路中作為串聯(lián)部件使用。此器件較小的體積有助于節(jié)省寶貴的板卡空間。而且與要求用戶能夠接觸到的熔斷器相反，PPTC器件的可復(fù)位功能允許其放置在無(wú)法接觸到的位置。由于PPTC器件屬于固態(tài)器件，所以也能耐受機(jī)械沖擊和振動(dòng)，從而在廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)提供可靠的保護(hù)能力。

雖然PPTC器件經(jīng)常被稱(chēng)為“可復(fù)位的熔斷器“，但它屬于用于限制電流的非線性熱敏電阻器。熔斷器屬于電流跳閘型器件，而一旦熔斷器熔斷，它所在的電路即被損壞，熔斷器上再也無(wú)法流過(guò)電流。這種電氣中斷(或斷路)是永久性的。一旦PPTC器件動(dòng)作，由于它需要有一個(gè)很低的焦耳加熱泄漏電流或外部熱源來(lái)保護(hù)其已動(dòng)作狀態(tài)，所以有一個(gè)很小數(shù)值的電流通過(guò)。一旦故障狀況被排除，這個(gè)熱源即被消除。這時(shí)器件就可以恢復(fù)到低阻值狀態(tài)，電路也恢復(fù)正常。

圖5  TSPD器件的等效電路圖

在恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)會(huì)造成潛在的安全隱患或設(shè)備上的器件在發(fā)生故障后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行維護(hù)的狀況下，采用熔斷器或斷路器較為合適。例如，在垃圾處理裝置中推薦采用一次性的熔斷器，因?yàn)榇搜b置的刀片在電動(dòng)機(jī)突然恢復(fù)運(yùn)行時(shí)有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的傷害事故。另一方面，可復(fù)位的PPTC器件主要用于對(duì)需要立刻恢復(fù)運(yùn)行的電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

最后，設(shè)計(jì)人員必須決定自己設(shè)計(jì)的應(yīng)用要求采用哪種水平的保護(hù)。決定是否采用某一具體保護(hù)器件的最好方式是進(jìn)行一次全面的系統(tǒng)測(cè)試。

PPTC器件在設(shè)計(jì)中

要考慮的事項(xiàng)
電路中需要PPTC器件時(shí)，有一些關(guān)鍵性的參數(shù)要予以考慮，包括器件的保持和動(dòng)作電流、環(huán)境條件對(duì)器件性能的影響、器件的復(fù)位時(shí)間、動(dòng)作狀態(tài)下的泄漏電流，以及自動(dòng)或手動(dòng)復(fù)位條件。

保持和動(dòng)作電流

圖2所示為PPTC器件的保持和動(dòng)作電流作為溫度函數(shù)的特性。在A區(qū)，PPTC器件將動(dòng)作以保護(hù)電路。在B區(qū)，PPTC器件能夠讓電路工作在正常狀況下。在C區(qū)，器件既有可能跳閘，也有可能保持在低阻值狀態(tài)下，這要取決于具體的器件電阻值和環(huán)境。

由于PPTC器件可以在溫度作用下動(dòng)作，所以在器件周?chē)腥魏螠囟茸兓紝⒂绊懫湫阅?。溫度增加時(shí)，器件動(dòng)作所需的能量較少，因此保持電流(IHOLD)降低。

環(huán)境對(duì)器件性能的影響

PPTC器件的熱傳導(dǎo)環(huán)境可以對(duì)器件的性能產(chǎn)生顯著的影響。通常，通過(guò)增加器件的熱傳導(dǎo)性能，其功耗、動(dòng)作時(shí)間和保持電流均將有相應(yīng)的增長(zhǎng)。如果從器件發(fā)出的熱傳導(dǎo)量下降，則會(huì)出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。此外，器件周?chē)鸁豳|(zhì)量的變化也將改變器件的動(dòng)作時(shí)間。

PPTC器件的動(dòng)作時(shí)間定義為在故障電流開(kāi)始出現(xiàn)至器件動(dòng)作之間的時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間取決于故障電流和環(huán)境溫度。

動(dòng)作事件是由于散熱速率低于熱量產(chǎn)生的速率而造成的。如果所產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量，器件的溫度將增加。溫度上升的速率和讓器件跳閘所要求的總能量取決于故障電流和熱傳導(dǎo)環(huán)境。

在正常的運(yùn)行條件下，器件所產(chǎn)生的熱量和器件散失到環(huán)境中的熱量處于平衡狀態(tài)。

I2R = U(T-TA)，其中，I = 流經(jīng)器件的電流,R= 器件電阻值,U= 綜合熱傳導(dǎo)系數(shù),T = 器件的溫度,TA= 環(huán)境溫度。

電流或環(huán)境溫度的上升，均將導(dǎo)致器件達(dá)到電阻值迅速上升的溫度。電阻值的這種巨大變化將降低流經(jīng)電路的電流，保證電路不被損壞。

保持電流器件能夠在不限時(shí)間的情況下，保持不從低阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)入高阻值狀態(tài)的最高穩(wěn)態(tài)電流。保持電流可以根據(jù)熱傳導(dǎo)環(huán)境進(jìn)行相當(dāng)精確的定義，并且會(huì)受到各種設(shè)計(jì)選擇的影響，例如：

* 將器件放置在發(fā)熱源附近，例如功率場(chǎng)效應(yīng)管、電阻器或變壓器，從而導(dǎo)致保持電流、功耗和跳閘時(shí)間減少。
* 增加與器件實(shí)施電氣接觸的引線大小，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)量的增加和較大的保持電流、較慢的動(dòng)作時(shí)間和較高的功耗。
* 在將器件連接到電路板前,應(yīng)先將器件連接到較長(zhǎng)的線上，增加器件的引線長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)量的減少，并降低器件的保持電流、功耗和動(dòng)作時(shí)間。

器件復(fù)位時(shí)間

在動(dòng)作事件發(fā)生后，電阻值可以迅速恢復(fù)到穩(wěn)定值，而絕大多數(shù)的恢復(fù)均在前幾秒內(nèi)發(fā)生。與其它電氣屬性一樣，電阻值的恢復(fù)時(shí)間取決于器件的設(shè)計(jì)和熱環(huán)境。由于阻值恢復(fù)與器件的冷卻存在關(guān)系，熱傳導(dǎo)量越大，恢復(fù)的速度越快。

動(dòng)作狀態(tài)下的泄漏電流

當(dāng)PPTC器件閉鎖在其高阻值狀態(tài)下時(shí)，能夠流經(jīng)器件的電波數(shù)量是故障電流的一個(gè)分?jǐn)?shù)。這個(gè)電流值可以采用下列公式計(jì)算出來(lái)：
I = PD/VPS，其中，I = 動(dòng)作狀態(tài)下器件的泄漏電流,PD = PPTC器件的功率,VPS= PPTC器件兩端的電壓。

TSPD提供有效的

過(guò)電壓保護(hù)
過(guò)電壓保護(hù)器件有兩種類(lèi)別，箝位和轉(zhuǎn)折，或急劇短路器件。金屬氧化物變阻器(MOV)和二極管的箝制型器件在運(yùn)行中能夠讓電壓上升到設(shè)計(jì)好的水平。

轉(zhuǎn)折型器件具有一個(gè)優(yōu)于箝位器件的特點(diǎn)，即對(duì)于某個(gè)給定的故障電流，在TSPD內(nèi)耗散的功率遠(yuǎn)小于箝位器件內(nèi)部耗散的功率。這是由于轉(zhuǎn)折器件兩端的電壓更小。這樣就可使用小尺寸的過(guò)電壓器件，并使電容值降低，而這正是高速通訊設(shè)備所需的特性。

在電壓超過(guò)器件轉(zhuǎn)折所需的擊穿電壓時(shí)，器件將形成一個(gè)低阻抗路徑，從而有效地對(duì)過(guò)電壓狀況進(jìn)行短路。器件將在電流降低到其保持額定值以下前保持在這種低阻抗?fàn)顟B(tài)。在過(guò)電壓事件發(fā)生后，器件將恢復(fù)成高阻值狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)正常的系統(tǒng)運(yùn)行。

TSPD的設(shè)計(jì)和運(yùn)行

TSPD屬于雙向芯片器件。這種器件的4個(gè)對(duì)稱(chēng)分層如圖3所示。在其橫截面圖上，其放置方式可以簡(jiǎn)化成如圖4和圖5所 示的兩個(gè)晶體管和一個(gè)P型電阻器的描述。在正常運(yùn)行中，電壓加到兩個(gè)接線端上。

隨著從陽(yáng)極至陰極之間的電壓增加，PNP晶體管中發(fā)生的雪崩擊穿讓電流能夠通過(guò)。不斷增加的雪崩電流從陽(yáng)極通過(guò)PNP晶體管流動(dòng)，隨后通過(guò)P電阻器流到陰極。P電阻器兩端的電壓對(duì)NPN晶體管施加讓其導(dǎo)通的偏壓。在NPN晶體管施加偏壓而導(dǎo)通后，PNP晶體管將迅速切換成導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致器件出現(xiàn)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。由于PNP晶體管的集電極電流驅(qū)動(dòng)著NPN晶體管的基極，以及與此類(lèi)似的NPN晶體管的集電極電流驅(qū)動(dòng)著PNP晶體管的基極，該器件處于閂鎖狀態(tài)下。

在運(yùn)行過(guò)程中，在電壓超過(guò)規(guī)定的擊穿點(diǎn)時(shí)，該器件轉(zhuǎn)折成一個(gè)低阻抗路徑，有效地對(duì)過(guò)電流狀態(tài)進(jìn)行短路。在流經(jīng)器件的電流降低到規(guī)定保持電流以下之前，此器件均保持在這種低阻抗?fàn)顟B(tài)。在過(guò)電壓事件過(guò)去后，器件將復(fù)位至高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而有可能恢復(fù)正常的系統(tǒng)運(yùn)行。

TSPD在設(shè)計(jì)方面的

考慮事項(xiàng)
在TSPD器件選型時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮以下的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：
1. 決定所設(shè)計(jì)的器件必須滿足哪些行業(yè)的安全要求，以及為了滿足這些要求要采用什么類(lèi)型的保護(hù)方式。
2. 擊穿電壓：決定器件在哪一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)從高阻抗轉(zhuǎn)入到低阻抗，以保護(hù)負(fù)載。需要進(jìn)行保護(hù)的最低電壓是多少,最大擊穿電壓必須小于此值。
3. 關(guān)斷狀態(tài)電壓：器件的最大額定運(yùn)行電壓必須大于系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行電壓，這個(gè)值定義為峰值振鈴交流電壓加上直流電池電壓的總和。
4. 峰值脈沖電流：器件的峰值脈沖電流必須大于針對(duì)系統(tǒng)規(guī)定的最大浪涌電流。如果不是這樣，就有可能需要增加額外的電阻來(lái)減少脈沖電流，讓其處于器件的脈沖額定值范圍以內(nèi)。典型峰值脈沖電壓值在相關(guān)電信標(biāo)準(zhǔn)的雷擊浪涌部分規(guī)定，例如Telcordia GR-1089 和FCC Part 68.
5. 保持電流：保持電流決定了過(guò)電壓保護(hù)器件將在保時(shí)“復(fù)位”或從低阻抗切換至高阻抗，從而讓系統(tǒng)恢復(fù)正常。該器件的保持電流必須大于系統(tǒng)的電源電流，否則它將保持在低電流狀態(tài)下。

結(jié)語(yǔ)

PolySwitch PPTC器件的低電阻、快速動(dòng)作時(shí)間和小巧的特點(diǎn)有助于提高板卡面積較小的電子設(shè)備的可靠性。這類(lèi)器件的可復(fù)位功能有助于電路設(shè)計(jì)人員選定和應(yīng)用這類(lèi)器件，以達(dá)到最大的運(yùn)行效益。PolySwitch PPTC器件為一次性使用的熔斷器技術(shù)提供了一項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)復(fù)位的替代方案。
Raychem SiBar TSPD器件用于幫助電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商達(dá)到ITU-T K.20和K.21的過(guò)電壓要求。它的主要優(yōu)點(diǎn)是具有較小的形狀系數(shù)、較低的導(dǎo)通狀態(tài)功耗，以及準(zhǔn)確的電壓箝制能力。這類(lèi)器件的低電容值特性也讓它們適用于高數(shù)據(jù)傳輸率的電路中。
在采用聯(lián)合式的保護(hù)方案時(shí)，這些器件所具有的可復(fù)位功能能夠提高系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性、降低服務(wù)和修理成本，并增加用戶的滿意度?！?/P>