協(xié)同電路保護方案使通信設備免受損害

　　在通信設備的正常使用過(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，導致通信設備不能正常工作，造成重大損失。為了確保通信設備的安全，通常在通信設備中設計有關(guān)保護電路。常用的保護器件按工作原理劃分，主要有過(guò)電壓保護、過(guò)電流保護、過(guò)溫度保護和EMI保護等幾大類(lèi)。根據實(shí)現保護的不同方法，相同功能的保護器件也有不同種類(lèi)可供選用。在實(shí)際運用中，為了確保滿(mǎn)足設備的保護和可靠性要求，保護電路往往采用多重協(xié)同保護(多級保護)。

　　通信設備電路的保護

　　在通信設備的正常使用過(guò)程中，交流電網(wǎng)和通信線(xiàn)路上會(huì )出現雷擊浪涌電壓、火花放電等EMI瞬態(tài)干擾信號。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。當瞬態(tài)電壓疊加在控制系統的輸入電壓上，使輸入通信設備系統的電壓超過(guò)系統內部器件的極限電壓時(shí)，便會(huì )損壞通信設備的電源;當瞬態(tài)電壓疊加在通信線(xiàn)路上時(shí)，瞬間高壓便會(huì )損壞信號環(huán)路中傳輸、控制的元器件。另外，由于電力線(xiàn)搭碰、感應，通信電路上有可能出現持續的過(guò)電壓、過(guò)電流，如不加保護也有可能損壞通信電路或器件，甚至造成火災和生命財產(chǎn)損失。因此，必須采用恰當的保護措施，對通信系統及設備進(jìn)行防護。

　　通信設備電路常用保護器件與工作特性

　　過(guò)電壓保護器件通常有高阻抗特性，當電壓達到它的過(guò)電壓保護值以上時(shí)，就轉換到低阻抗;一旦過(guò)電壓故障消失，保護器件會(huì )返回到高電阻狀態(tài)，是一種可恢復器件。常用的過(guò)電壓保護器件有SiBar(半導體晶閘管浪涌保護器件)、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)電流保護元件通常有低阻抗特性，當通過(guò)它的電流達到過(guò)電流保護值以上時(shí)，轉換到高阻抗。常用的過(guò)電流保護器件有PPTC(聚合物正溫度系數)、CPTC(陶瓷正溫度系數)等，它們的共同特點(diǎn)是可重置，而不像保險絲為一次性的不可恢復器件?？苫謴瓦^(guò)電流保護元件的優(yōu)勢很明顯，一旦過(guò)電流故障消失，保護器件冷卻后會(huì )返回到低電阻狀態(tài)。

　　1 過(guò)電壓保護器件SiBar

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

　　圖1 折返式過(guò)電壓保護器件的I/V曲線(xiàn)

　　SiBar在浪涌電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)起分流的作用。當浪涌電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)，SiBar工作在保護特性曲線(xiàn)的低阻區，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)恢復到高阻狀態(tài)。

　　2 瞬態(tài)電壓抑制器

　?、?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與普通穩壓二極管相同，縮寫(xiě)為T(mén)VS。它的正向特性與普通二極管相同，反向特性與典型的PN結雪崩器件相同。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(zhù)擊穿電流的出現，流過(guò)瞬態(tài)電壓抑制器的電流將達到峰值脈沖電流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(zhù)脈沖電流按指數衰減，瞬態(tài)電壓抑制器兩電極間電壓也不斷下降，最后恢復到初態(tài)，這就是瞬態(tài)電壓抑制器抑制可能出現的浪涌脈沖功率，保護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用于計算機系統、通信設備、交/直流電源、汽車(chē)、電子鎮流器、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、數字照相機的保護、共模/差模保護、RF耦合/IC驅動(dòng)接收保護等各個(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、穩態(tài)功率PO和極間電容Cj等參數。

　?、?瞬態(tài)電壓抑制器的分類(lèi)

　　瞬態(tài)電壓抑制器按極性可以分為單極性和雙極性?xún)煞N，單向瞬態(tài)電壓抑制器的特性與穩壓二極管相似，雙向瞬態(tài)電壓抑制器的特性相當于兩個(gè)穩壓二極管反向串聯(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(zhuān)用型瞬態(tài)電壓抑制器。如果按封裝及內部結構劃分，瞬態(tài)電壓抑制器又可以分為軸向引線(xiàn)、雙列直插瞬態(tài)電壓抑制器陣列(適用多線(xiàn)保護)、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，其應用越來(lái)越廣泛。它是由氧化鋅微粒組成的多晶半導體過(guò)電壓抑制器件，典型應用產(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。其主要技術(shù)參數有通電流能力、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，具有較快的響應速度，可達到毫微秒級，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)電壓達到?jīng)_擊擊穿電壓時(shí)，氣體放電管內的氣體電離，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保護元件，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(PTC)電阻器

　　實(shí)用中，正溫度系數(PTC)電阻器可用于過(guò)電流/過(guò)溫度保護的應用場(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歐姆特性，當超過(guò)一個(gè)特定溫度以后，電阻值急劇上升104～106倍。當故障排除之后，PTC電阻器能自動(dòng)恢復到低電阻狀態(tài)，重新接通電路，因此使用中不需要維護。使用中，PTC元件和被保護電路串聯(lián)連接，當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)現對被保護對象的保護，這一過(guò)程被稱(chēng)之為PTC的“動(dòng)作”。

　　PTC按材料構成又可以分為PPTC和CPTC兩大類(lèi)，PPTC為聚合物正溫度系數電阻器，CPTC為陶瓷正溫度系數電阻器。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)保護元件(PPTC)是由聚合物原料摻合導電顆粒制成的，如圖3所示。在正常溫度下，原材料結晶狀結構將導體顆粒緊密束縛在一起，形成多個(gè)低電阻通路。當大電流通過(guò)或周?chē)h(huán)境溫度升高導致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)規律排列，體積微膨脹、低電阻通路斷開(kāi)，導致電阻迅速增加。

　　圖3 PolySwitch(PSW)聚合物PTC的結構圖

　　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)的熱達到平衡。但是，當電路中流過(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(zhù)，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達到平衡。當電流或環(huán)境溫度再增加時(shí)，PolySwitch元件的溫度會(huì )再達到一個(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)現過(guò)電流保護功能。當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(xiàn)

　　圖5表示PPTC元件過(guò)電流/過(guò)溫度后，當過(guò)電流/過(guò)溫度故障消除后，PPTC元件阻值的恢復曲線(xiàn)?？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一段較長(cháng)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)際應用中，要使PPTC元件的阻值恢復到初始值是不現實(shí)的。所以在選用PPTC元件時(shí)，在決定PPTC的保持電流時(shí)就應考慮PPTC元件動(dòng)作后并恢復1小時(shí)后的初始電阻RImax這個(gè)參數。

　　圖5 PPTC的阻值恢復曲線(xiàn)

　　6 過(guò)電流/過(guò)電壓綜合保護模組

　　在以往，單個(gè)元件一直是電路保護中的主角，但是隨著(zhù)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)、材料的綜合保護器件或模組將會(huì )越來(lái)越多。

　　PolyZen產(chǎn)品是PPTC和半導體材料融合的一個(gè)成功案例。PolyZen微型集成模塊元件內置了一個(gè)穩壓齊納二極管和一個(gè)非線(xiàn)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備提供過(guò)電流/過(guò)電壓綜合保護，避免由于感應電壓尖峰、電壓瞬變、不正確電源和極性接反所導致的損壞現象。美國泰科電子公司瑞侃電路保護產(chǎn)品部的PolyZen微型集成保護模塊可用于硬盤(pán)驅動(dòng)器、便攜電子設備、計算機和汽車(chē)電子等應用場(chǎng)合。它具有耐受能量大、電壓鉗位穩定度高的特點(diǎn)，可用于不正確的電源電壓、電壓的瞬態(tài)過(guò)高和極性反轉保護的應用場(chǎng)合;同時(shí)具有過(guò)熱、過(guò)流保護功能。

　　與PolyZen類(lèi)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)電流保護器，具有體積小、電力線(xiàn)搭碰/感應測試后自動(dòng)恢復和有助于防護電路過(guò)電壓的優(yōu)點(diǎn)?？捎糜赩oIP網(wǎng)關(guān)、無(wú)線(xiàn)電話(huà)、傳真機、機頂盒、低成本電信系統和客戶(hù)端設備的過(guò)電壓/過(guò)電流保護應用場(chǎng)合。

　　通信設備電路保護實(shí)例

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

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

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

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

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

　　如果在圖6、圖7的基礎上再添加一級欠電壓保護功能，則可以在市電電壓下，實(shí)現傳真機的過(guò)電壓和欠電壓保護。當傳真機的供電超過(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，這對那些供電電壓不穩定地區的傳真機使用有很大的好處。

　　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，位于很容易受到嚴重雷擊和浪涌電流損壞的戶(hù)外環(huán)境中。浪涌電流會(huì )導致基站無(wú)法正常工作，更為嚴重的是，如果對浪涌電流不加以阻止，任其到達手機基站電子系統的線(xiàn)路和電子部件內部，將有可能損壞基站設備，嚴重時(shí)有可能導致火災危險。對于這種應用場(chǎng)合，不但需要保護基站的信號線(xiàn)路，還要保護基站的電源、在配電箱內安裝防電浪涌保護裝置。如果有必要，還應當增加過(guò)流、過(guò)熱和EMI等保護，進(jìn)一步完善保護功能。

　　結語(yǔ)

　　由于使用環(huán)境的苛刻，以及對系統穩定性和可靠性的要求，電信系統需要采用多重保護。系統中的設備應當根據具體的應用環(huán)境和設備的特點(diǎn)選用適當的保護元件構成滿(mǎn)足系統保護要求的解決方案。依據相應的標準設計合理的保護電路、選用品質(zhì)優(yōu)良的適用元件，是保證通信設備安全的牢固基石。