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浅析常用防护器件在安防产品中的应用原理
2015/4/1 10:24:00      来源:《中国安防》    作者:韩远国 徐海全
   随着社会的不断进步,安防产业持续高增长,安防产品得到了极其广泛的应用,无论是公共事业,还是商用或者民用,安防产品已经深入到各个领域,这也造成了安防产品功能的多样化、应用环境的复杂化。

  随着社会的不断进步,安防产业持续高增长,安防产品得到了极其广泛的应用,无论是公共事业,还是商用或者民用,安防产品已经深入到各个领域,这也造成了安防产品功能的多样化、应用环境的复杂化。随着产品功能越来越多,其功能接口也越来越丰富,比如:网络接口(带POE功能)、模拟视频接口、音频接口、报警接口、RS485接口、RS232接口等等。功能在不断地增多,但是对于产品的体积要求越来越小,在增加设计难度的同时也会使产品面临着更多的威胁,比如雨季随着雷电的增多,产品批量的损坏;冬季设备安装调试时,由于静电造成设备的功能异常等等。本文着重介绍常用防护器件在安防产品中的基本应用,通过防护电路来提高产品抗静电、抗浪涌干扰的能力,从而提高产品的稳定性。
  一、常用防护器件的介绍
  1、瞬态抑制二级管,简称TVS(transientvoltagesuppressor)。
  TVS可用于静电防护或者浪涌防护,实际应用时TVS与受保护器件并联。在正常工作状态下,TVS对受保护线路呈高阻抗状态,当瞬时电压超过其击穿电压时,TVS就提供一个低阻抗的泄放路径,使得流向被保护元器件的瞬间电流转而分流到TVS管,受保护元器件两端的电压被限制在了TVS两端的钳位电压,实现了对后级电路的保护;当过压消失后,TVS又恢复到高阻抗状态。
  TVS有单向和双向之分,单向TVS的特性与稳压二极管相似,单向TVS一般用于直流电路;双向TVS相当于两个稳压二极管反向串联,可在正反两个方向吸收瞬时大功率脉冲,双向TVS一般用于交流电路。
  TVS的主要特点有:响应速度快(ps级),体积小,能承受上千瓦的瞬时脉冲,钳位电压低,可靠性高,不易劣化,使用寿命长等。
  TVS的主要特性参数有:Vrwm(截止电压)、Vbr(击穿电压)、Vc(最大钳位电压)、Ipp(脉冲峰值电流)等。
  2、气体放电管(GasTube)。
  气体放电管可用于浪涌防护,是防雷保护设备中应用最广泛的一种开关器件。气体放电管一般应用在多级保护电路中的第一级或前两级,与被保护的器件并联,起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。当电路正常工作时,气体放电管超大阻抗相当于开路状态。当外加电压增大到超过放电管内气体的绝缘强度时,两极间的间隙将放电击穿,由原来的绝缘状态转化为导电状态,导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平,从而保护后级电路免受损坏;当过压消失后,放电管又恢复到高阻状态。
  气体放电管的特点有:通流能力大,极间电容小,绝缘电阻高,浪涌防护能力强;但放电管的体积大,成本较高,并且响应速度稍慢,一般在100~150ns左右,动作灵敏度不够理想,所以一般不单独使用放电管来保护电子设备,而在放电管后面再增加一些保护元件,以抑制时延脉冲。
  气体放电管的主要特性参数有:直流/冲击放电电压、工频/冲击耐受电流、绝缘电阻、极间电容等。
  3、压敏电阻(Varistor)。
  压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的电阻器件,主要用于电路的过电压保护,实际应用时压敏电阻与被保护器件并联。当压敏电阻的两极间施加的电压低于其击穿电压时,流过它的电流极小,相当于一只关闭的阀门;当电压超过其击穿电压时,它的阻抗瞬间变小,使得流过它的电流激增从而可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,实现对后级电路的保护;当过压消失后,压敏电阻又恢复到高阻抗状态。
  压敏电阻的特点有:成本低,通流能力大(比气体放电管小),响应时间快(ns级,比空气放电管快,比TVS管稍慢一些);但压敏电阻易老化,多次冲击时,它的性能会下降。压敏电阻的结电容一般在几百到几千pf的数量级范围,很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中。应用在交流电路的保护时,因为其结电容较大会增加漏电流,在设计防护电路时需要充分考虑。
  压敏电阻的主要特性参数有:压敏电压、通流容量、钳位电压、击穿电压、静态电容量等。
  4、电压开关型瞬态抑制二极管,简称TSS(thyristorsurgesuppressor)。
  TSS可用于静电防护或者浪涌防护。其工作原理与气体放电管类似,而与压敏电阻和TVS管不同。当TSS管两端的过电压超过其击穿电压时,TSS管将把过电压钳位到接近0V的水平上,之后TSS管持续这种短路状态,直到流过TSS管的过电流降到临界值以下后,TSS恢复开路状态。
  TSS的特点有:浪涌通流能力较同尺寸的TVS管强,可在无源电路中代替TVS管使用,TSS具有双向对称特性,响应速度快(ns级),漏电流低,体积小,击穿电压一致性好;但是通流量较小,只有几百A,并且电容较大,有几十至几百pf。
  TSS的主要特性参数有:断态电压Vrm、漏电流Irm、击穿电压Vbr、峰值脉冲电流Ipp、静态电容C。
  5、自恢复保险(PPTC)。
  自恢复保险可和放电管配合,用于浪涌防护,实际应用时串接在电路中。正常工作状态下,自恢复保险产生的热和散发的热保持平衡,自恢复保险处于低阻状态;当电流或环境温度提高,产生的热量大于散发出去的热量时,自恢复保险元件温度骤增,此时很小的温度变化会造成阻值的大幅提高,使其处于高阻保护状态,使得工作电流在很短时间内急剧下降,从而保护电路设备免受损坏;当短路或过载消失时,自恢复保险便可以自动恢复低阻状态,无需人工更换。
  自恢复保险的主要特性参数有:常温下的保持电流Ih、常温下的最小动作电流It、长时间承受的最大支流工作电压Vmax、长时间承受的最大支流工作电流Imax、最小和最大电阻Rmin/Rmax。
  二、常用防护器件的对比和选取原则
  1、各防护器件的基本参数汇总和对比结果,请参考表1。

  2、各器件选型时需考虑的参数项如表2所示。

  3、选取原则
  TVS的选取原则:TVS的钳位电压Vc要小于电路允许的最大安全电压;截止电压Vrwm一般选择等于或者略大于电路的最大工作电压;额定的最大脉冲功率Pm要大于最大瞬态浪涌功率;击穿电压Vbr应大于线路最高工作电压的1.1倍;当TVS放在放电管后作为第二级保护时,一般根据500W~600W的功耗来选择脉冲峰值电流Ipp;当信号频率或者传输速率较高时,应选择低电容系列的TVS。
  自恢复保险的选取原则:自恢复保险的最大额定工作电压Vmax应大于电路正常最大工作电压;最小动作电流It应小于线路的最大可承受电流;保持电流Ih在设计的环境温度下应大于最大正常工作电流。
  气体放电管的选取原则:支流击穿电压大于线路中的正常工作电压;气体放电管允许通过的电流超过或者等于设计通过的最大电流。
  TSS的选取原则:截止电压Vdrm必须大于被保护的电路的最大工作电压;转折电压Vs必须小于设备能承受的最大瞬态峰值电压;维持电流Ih必须大于设备的工作电流和短路电流。
  压敏电阻的选取原则:压敏电阻最大工作电压应大于电路的最大正常工作电压;通过的浪涌电流应大于设计要求的浪涌电流。如12V电压选择18V或22V的压敏电阻;24V电压选择33V或39V的压敏电阻,220V选择470V、510V或560V的压敏电阻。
  三、几种器件组成防护电路的原理
  1、RS485接口保护电路,电路由气体放电管、自恢复保险和TVS管组成。如图1所示。

  图1

  电路基本原理:
  浪涌防护。正向浪涌脉冲施加于RS485A线和地之间(共模),气体放电管气体G3电离一般需要50~150ns的时间,这期间会有一个幅度较高的尖脉冲泄漏到后面电路中去。此时后面的自恢复保险FU1由于电流激增,导致其电阻瞬间增大,立刻阻断大电流的继续后移。当达到气体放电管G3的响应时间时,G3变为导通状态,将大量的浪涌电流泄放到大地,从而保护后级电路。当浪涌电流泄放完毕,自恢复保险也恢复为正常的低阻状态,电路恢复正常。当负向浪涌脉冲施加于RS485A线和地之间,也是气体放电管G3起作用,防护的原理基本相同。当浪涌脉冲施加于RS485A线和RS485B线之间(差模),气体放电管G1将起到防护作用,防护的原理基本相同。RS485B线的防护和RS485A线相同。
  静电防护。正向静电脉冲施加于RS485A线和地之间时,由于静电的能量一般很小,并且发生的时间非常短暂(1ns时间达到峰值),所以前面的气体放电管和自恢复保险基本都不起作用,此时要靠后面的TVS管D2来进行防护。由于TVS管的响应时间很短,能达到1ps,所以当瞬时过压脉冲达到D2时,其工作阻抗能立即降至很低的导通值,让瞬时大电流通过,并将电压钳制到预定水平,从而有效保护后面的电路。当负向静电脉冲施加于RS485A线和地之间时,也是TVS管D2起作用,防护的原理基本相同。当静电脉冲施加于RS485A线和RS485B线之间时,TVS管D1将起到防护作用,防护的原理基本相同。RS485B线的防护和RS485A线相同。
  实测结果:气体放电管选用5KA-SPC090F,自恢复保险选用0.1A-MSM010,TVS选用SMBJ6.0CA。实测上述保护电路,浪涌测试依据GB/T17626.5-2008(IEC61000-4-5:2005)标准,选用10/700us试验波形,如图2所示,进行等级4(4KV)的测试,结果A级通过。静电测试依据GB/T17626.2-2006(IEC61000-4-2:2001)标准,如图3所示,进行接触放电等级3(6KV)的测试,结果A级通过。另外上述保护方案也可用于RS232接口的防护,RS232接口的TXD和RXD双线可当做RS485接口的AB线处理,防护的等级相同。



  2、模拟视频接口保护电路,电路由气体放电管、自恢复保险和TVS管组成。如图4所示。

  图4
  该方案的防护原理和RS485接口的防护原理一致,实测的防护等级也相同。出于成本的考虑,以及节省PCB空间的需求,也可选择图5所示的方案。该方案非常简单,只在模拟视频输出线路上加一个TSS管。根据实际选择的TSS管的不同,该电路能够实现的防护等级也不同。


  图5

  如果TSS选择SPE06SB,则实测结果如下:浪涌测试依据GB/T17626.5-2008(IEC61000-4-5:2005)标准,选用10/700us试验波形,进行等级4(4KV)的测试,结果A级通过。静电测试依据GB/T17626.2-2006(IEC61000-4-2:2001)标准,进行接触放电等级3(6KV)的测试,结果A级通过。另外该方案还可用于报警输入接口、音频输入输出接口的防护。
  3、电源输入保护电路,电路由压敏电阻、共模电感和TVS组成。


  图6
  基本原理:防护原理和RS485电路的原理基本相同。
  浪涌防护。正向浪涌脉冲施加于AC/DC24V1线和地之间时(共模),压敏电阻RZ3和共模电感L1配合,在压敏电阻响应之前,共模电感对浪涌脉冲起到阻碍的作用。当达到压敏电阻的响应时间时,压敏电阻会变为导通状态,将大量的浪涌电流泄放到大地,同时将电压钳位到预定值,从而保护后级电路。当浪涌电流泄放完毕,压敏电阻变为截止状态,电路恢复正常。当负向浪涌脉冲施加于AC/DC24V1线和地之间时,也是压敏电阻RZ3起作用,防护的原理基本相同。当浪涌脉冲施加于AC/DC24V1线和AC/DC24V2线之间时(差模),压敏电阻RZ1将起到防护作用,防护的原理基本相同。AC/DC24V2线的防护和AC/DC24V1线相同。
  静电防护。由于此方案只在AC/DC24V1线和2线之间放置了一个TVS管D4,所以该方案只能对两线间的静电泄放进行防护。正向静电脉冲施加于AC/DC24V1线和AC/DC24V2线之间时,由于静电的能量一般很小,并且发生的时间非常短暂(1ns时间达到峰值),所以前面的压敏电阻和共模电感基本都不起作用,此时要靠后面的TVS管D4来进行防护。防护的原理和RS485接口的静电防护原理相同。
  实测结果:压敏电阻选用14D820K,共模电感选用LF13H449AP,TVS选用SMBJ58A。实测上述保护电路,浪涌测试依据GB/T17626.5-2008(IEC61000-4-5:2005)标准,选用1.2/50us试验波形,如图7所示,进行等级4(4KV)的测试,结果A级通过。静电测试依据GB/T17626.2-2006(IEC61000-4-2:2001)标准,进行接触放电等级3(6KV)的测试,结果A级通过。


  4、千兆网口保护电路,电路由压敏电阻、网络变压器和TVS组成。如图8所示。


  图8
  基本原理:在网口座和网络变压器之间进行浪涌防护,分别将网络变压器4组差分线的中心抽头和地之间放置一个压敏电阻和阻容组成的RC电路;在网络变压器和内部电路之间进行静电防护,分别在4组差分信号线对之间放置TVS管。这样的电路布置和电源接口的防护原理基本一致,网络变压器相当于电源防护电路中的共模电感,具体的防护过程此处不在赘述。
  实测结果:压敏电阻选用14D820K,网络变压器选用HST24002SAR,TVS选用SLVU2.8-4。实测上述保护电路,浪涌测试依据GB/T17626.5-2008(IEC61000-4-5:2005)标准,选用10/700us试验波形,进行等级4(4KV)的测试,结果A级通过。静电测试依据GB/T17626.2-2006(IEC61000-4-2:2001)标准,进行接触放电等级3(6KV)的测试,结果A级通过。
  四、总结
  基本的防护器件组成的防护电路能够在器件承受的范围内最大限度的保护产品免受外界干扰的破坏。设计者可根据需达到的防护级别,成本,PCB布局等因素选择防护器件,提高产品防护等级,从而提升产品的稳定性和产品的市场竞争力。

编辑:侯雨婷
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