完整的電路保護(hù)-過(guò)流過(guò)壓保護(hù)

1、一、完整的電路保護(hù)一、完整的電路保護(hù)1.1 1.1 過(guò)流保護(hù)過(guò)流保護(hù) 1、傳統(tǒng)的熔斷保險(xiǎn)絲/玻璃管3、PTC/NTC熱敏電阻注：通常也把以上第2、3加上一些溫控元件合稱為電路熱保護(hù)。 2、自恢復(fù)式的保險(xiǎn)絲PPTC1.2.1 1.2.1 工作原理工作原理 （FUSEFUSE） 根據(jù)焦?fàn)柖桑?Q=IQ=I2 2 R TR T 當(dāng)通過(guò)保險(xiǎn)絲的電流達(dá)到一定時(shí)，在保險(xiǎn)絲上所產(chǎn)生的熱量達(dá)到它的固態(tài)熔點(diǎn)時(shí)，保險(xiǎn)絲就會(huì)自動(dòng)熔斷而起到保護(hù)電路的作用。因此，工程人員在選擇保險(xiǎn)絲時(shí)最關(guān)注的參數(shù)如下： I-熔斷電流 T-當(dāng)電流達(dá)到 I 時(shí)，經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間才能熔斷。所以一般保險(xiǎn)絲分為：快斷（F）和慢斷（S）兩種。1.2

2、.2 1.2.2 工作原理工作原理 （PPTCRPPTCR） A、 當(dāng)電流流過(guò)元件時(shí)，根據(jù)焦?fàn)柖芍鋾?huì)產(chǎn)生熱量。上圖中的 Point 1 Point 2就是處于電流或環(huán)境溫度增加不明顯時(shí)所達(dá)到的平衡點(diǎn)。 B、 當(dāng)電流或環(huán)境溫度繼續(xù)增加，產(chǎn)生的熱能大于散發(fā)的熱能時(shí)， 此階段很小的溫度變化都會(huì)造成阻值的大幅提高。上圖中的Point 3-Point 4就是處于保護(hù)狀態(tài)。1.2.3 1.2.3 工作原理工作原理 （PTCR/NTCRPTCR/NTCR） PTC-正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻：熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而增大。其T-R變化曲線如圖1所示。因此PTCR多用作電路保護(hù)元件。NTC-負(fù)溫度系數(shù)

3、NTC熱敏電阻：熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而減小。其T-R變化曲線如圖2所示。因此NTCR多用作溫度控制元件。2.1 2.1 過(guò)壓保護(hù)常識(shí)過(guò)壓保護(hù)常識(shí) u 為什么現(xiàn)在的電路越來(lái)越多地要使用過(guò)壓保護(hù)元件？ 1、隨著電子產(chǎn)品數(shù)字化的發(fā)展，IC的集成度越來(lái)越，其“身價(jià)”越來(lái)越貴，因此要加強(qiáng)保護(hù)； 2、為了降低功耗、減少發(fā)熱，半導(dǎo)體元件和IC的工作電壓越來(lái)越低；據(jù)SIA報(bào)道：2003年的IC工作電壓為1.5V，今年將降到1.2V； 3、使用電子產(chǎn)品的環(huán)境所要求的。Eg：汽車(chē)電子產(chǎn)品、室外通信產(chǎn)品、電力產(chǎn)品； 4、數(shù)字移動(dòng)產(chǎn)品越來(lái)越多，如PDA、手機(jī)、筆試本電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3等都要用到電池作為電源

4、，在電池組件和電池充電器中都必須配備保護(hù)元件。u 過(guò)電壓有哪些表現(xiàn)形式？ 1、瞬態(tài)峰值電壓 2、浪涌電壓 3、靜電放電（ESD） 4、其它齊納二極管 (Zener Diodes)雪崩二極管 (Silicon Avalanche Diodes)閘流管(Thyristors)壓敏電阻 (Metal Oxide Varistors)氣體放電管 (Gas Discharge Tubes)饋線電阻 (Line Feed Resistors )緩沖電容 (Snubber Capacitors)過(guò)壓保護(hù)過(guò)壓保護(hù)-常用器件（限壓器）常用器件（限壓器） 工作原理工作原理 此器件專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于吸收ESD能量并且保護(hù)

5、系統(tǒng)免受ESD損害的固態(tài)元件。TVS二極管將限制跨在被保護(hù)器件上的電壓剛好高過(guò)額定電壓，但是卻遠(yuǎn)低于破壞的閾值電壓。TVS瞬變電壓消除器 Transient Voltage SuppressorTeccor Overvoltage Protection Product1、 聚合物ESD抑制器2、 可變電阻-表面貼 A、多層疊的可變電阻（ML，MLE、MHS、AUML and MLN Series） B、壓敏電阻（CH Series） 3、硅保護(hù)產(chǎn)品 A、TVS/Diode Arrays（SP05x，SP72x Series） B、閘流管（SiBODTM ） C、TVS Diodes/Silic

6、on Avalance Diodes（SADs） 4、氣體放電管（GDTs） 5、工業(yè)&軸向壓敏電阻 A、Radial Leaded MOVs（UltraMOVTM，C-III，LA，ZA，RA and TMOVTM Varistors） B、軸向引腳的壓敏電阻（MA Series MOVs） C、工業(yè)級(jí)的壓敏電阻（CA，NA，PA，HA，HB34，DA and DB Series varistors）Teccor產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域5、其它工業(yè)設(shè)備3、通信設(shè)備4、汽車(chē)電子1、個(gè)人電子消費(fèi)產(chǎn)品2、電源產(chǎn)品 電源產(chǎn)品 A、交流電源 B、不間斷電源（UPS） C、電能表 D、交流電器控制板應(yīng)用

7、電路 推薦產(chǎn)品 可控硅（SCR） 壓敏電阻（MOV） TVS / ULTraMOV AC / DC DC / DC 轉(zhuǎn)換電路全波 / 半波整流電路 / 逆變電路雷電的防護(hù)雷電的防護(hù) 氣體放電管 能承受數(shù)百微秒內(nèi)數(shù)千安培瞬態(tài)雷電電流的沖擊。缺點(diǎn)是對(duì)雷電過(guò)電壓的波頭無(wú)法進(jìn)行有效的保護(hù)。 壓 敏 電 阻 有較好的非線性，有很大的吸收能力，響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是應(yīng)用于DVI、ISDN等圖像傳輸設(shè)備上時(shí)，容易失真。同時(shí)容易老化。 熱 敏 電 阻 優(yōu)點(diǎn)是 內(nèi)阻小且穩(wěn)定，動(dòng)作快、表面溫度低、耐高壓高溫。 固體放電管 是電力、通信領(lǐng)域中防雷器件的尖端產(chǎn)品，是氣體放電管、壓敏電阻的升級(jí)替代品。-電力系統(tǒng)器件應(yīng)用比較

8、電力系統(tǒng)器件應(yīng)用比較雷電防護(hù)的常見(jiàn)方法雷電防護(hù)的常見(jiàn)方法u1、采用多種防雷器件的組合來(lái)彌補(bǔ)某一器件的缺陷。例：MOV+PTC：對(duì)雷電波壓敏電阻能快速反應(yīng)、引雷電流入地的作用。PTC則能保護(hù)通信電纜。u2、采用多器件、多級(jí)別的防護(hù)。例：氣體放電管應(yīng)用其釋放能量大的特點(diǎn)，可作初級(jí)保護(hù)。而壓敏電阻適合做電源、內(nèi)部設(shè)備的保護(hù)。 l 用戶端設(shè)備 1、傳真機(jī) 2、 xDSL / Modem 3、公用電話 / 無(wú)繩電話 / 手機(jī) / VoIP 4、T1 / E1 /J1 5、ISDN 設(shè)備 6、用戶線路板（SLIC） l 局端設(shè)備 1、公共分組交換機(jī)（PBX） 2、Internet 網(wǎng)關(guān) 3、交換機(jī) / 路

9、由器 / 中繼器(HUB)l 轉(zhuǎn)接設(shè)備 各類(lèi)基站（衛(wèi)星、微波；GSM/GPRS/CDMA）通信設(shè)備通信設(shè)備針對(duì)通信類(lèi)產(chǎn)品,Teccor提供了SIDACtor (固體過(guò)壓保護(hù)器件).1、高速接口電路（USB2.0、IEEE1394、RF 電路、Gigabit以太網(wǎng)、DVI）通用應(yīng)用 -接口電路2、中速接口電路（USB1.1、RS-485、以太網(wǎng)、視頻/圖像）3、 低速接口電路（RS-232、IEEE 1284、按鈕/開(kāi)關(guān)、鍵盤(pán)）應(yīng)用 1-手機(jī)應(yīng)用 2-無(wú)繩電話應(yīng)用 3-數(shù)碼相機(jī)電源 保護(hù)電路電路 一一 過(guò)流保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)電路 1 過(guò)流保護(hù)電路的功能和組成 * 功能 發(fā)生過(guò)流時(shí)，立即某種方式消除

10、過(guò)流，保護(hù)電路器件不會(huì)損壞。* 產(chǎn)生過(guò)流的原因負(fù)載過(guò)載或輸出短路整流器件失效開(kāi)關(guān)管失效干擾等因素造成的誤導(dǎo)通2 過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)（1）電流傳感器檢測(cè)過(guò)流保護(hù)電路* 組成電流信號(hào)檢測(cè)電路過(guò)流信號(hào)處理電路封鎖開(kāi)關(guān)脈沖電路* 簡(jiǎn)單的保護(hù)方法 利用熔斷器，但動(dòng)作慢，不足以實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)，一般使用由電子元器件構(gòu)成的保護(hù)電路。* 電流信號(hào)檢測(cè)電路DRSCSRCUS 脈沖電流后沿尖峰是開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的初級(jí)漏感和引線電感造成的。 脈沖電流前沿尖峰是由次級(jí)整流二極管的反向恢復(fù)造成的變壓器次級(jí)暫時(shí)短路引起的。* 過(guò)流信號(hào)處理電路R1R2R3UREFUSU1 過(guò)流一般都是不正?，F(xiàn)象，或者是故障，所以過(guò)流保護(hù)應(yīng)該是不可

11、以自恢復(fù)的。實(shí)現(xiàn)方式，反饋?zhàn)枣i。 加兩級(jí)濾波后脈沖電流的前后沿尖峰明顯減小。* 封鎖開(kāi)關(guān)脈沖電路（2）功率開(kāi)關(guān)管過(guò)流狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別* 注意，與截止時(shí)的電壓相區(qū)別。* 具有快速、可靠、方便的優(yōu)點(diǎn)?？勺枣i的處理電路R1R2R3UREFUSU1R4D1 把過(guò)流信號(hào)處理電路的輸出加到集成PWM控制器的保護(hù)信號(hào)輸入端即可。 * 根據(jù)：GTR、GTO、IGBT等的導(dǎo)通壓降是和導(dǎo)通時(shí)通過(guò)的電流有關(guān)的，當(dāng)管子中電流增加時(shí)，其導(dǎo)通壓降也會(huì)明顯上升。 * 功率MOSFET是阻性負(fù)載，導(dǎo)通壓降也和導(dǎo)通時(shí)的電流有關(guān)。二二 輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路 1 過(guò)壓、欠壓狀態(tài)的判斷R1R2UBR4R3UCC

12、0UAB* 比較器A用于輸出過(guò)壓判斷。* 比較器B用于輸出欠壓判斷。* 調(diào)整電阻R1、R2、R3可改變保護(hù)點(diǎn)。、* 正常時(shí)，UB=“0”；保護(hù)時(shí)， UB=“1”。CHURRRRRU13232上限下限CLURRRRU13232 保護(hù) 把過(guò)壓、欠壓判斷電路的輸出加到集成PWM控制器的保護(hù)信號(hào)輸入端即可。3 小功率電源中的過(guò)壓保護(hù)* 利用穩(wěn)壓二極管結(jié)合過(guò)流保護(hù)電路可實(shí)現(xiàn)。 * 選擇穩(wěn)壓值UZ大于輸出電壓1V左右的穩(wěn)壓二極管，當(dāng)發(fā)生過(guò)壓時(shí)，穩(wěn)壓二極管反向擊穿，輸出電壓被箝位在UZ，同時(shí)產(chǎn)生較大的電流，使過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作。* 對(duì)于瞬間的尖峰干擾，有吸收作用。U0CLDZ三三 輸入過(guò)壓保護(hù)電路輸入過(guò)壓保護(hù)

13、電路 1 輸入連續(xù)過(guò)壓保護(hù)（1）基本方法CC3C2R3R1R2R4R5R6R7DZT2T1AB* 是在濾波電容后取樣，對(duì)瞬間過(guò)壓不起作用。* 利用R6、R5、T1可改變基準(zhǔn)電壓，避免產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。 * 保護(hù)時(shí)，利用發(fā)出的保護(hù)信號(hào)可封鎖PWM脈沖輸出、停止后級(jí)DC/DC變換器工作。（3）改進(jìn)方法（2）存在問(wèn)題 保護(hù)不徹底，后級(jí)DC/DC變換器雖停止工作，功率開(kāi)關(guān)得到保護(hù)，但如果輸入電壓繼續(xù)上升超過(guò)濾波電容的耐壓值時(shí)，濾波電容會(huì)過(guò)壓擊穿。 * 在判斷保護(hù)后，發(fā)出保護(hù)信號(hào)同時(shí)，控制繼電器或接觸器動(dòng)作、斷開(kāi)主回路；不過(guò)壓時(shí)，繼電器觸點(diǎn)吸合，不影響正常工作。* 特點(diǎn)： 保護(hù)徹底，適合中、大功率電源中應(yīng)用

14、； 電路復(fù)雜，成本高。2 輸入瞬間過(guò)壓保護(hù)（1）原因（2）保護(hù)方法 * 電網(wǎng)上電感性負(fù)載的開(kāi)、關(guān)，雷電感應(yīng)等都會(huì)在電網(wǎng)電壓上產(chǎn)生尖峰電壓，有的達(dá)數(shù)千伏。 * 這些尖峰電壓的能量有強(qiáng)有弱，一般雷電引起的尖峰電壓能量較強(qiáng)，有可能損壞電源。* 在輸入端并聯(lián)氧化鋅壓敏電阻。CRVEMI * 當(dāng)交流尖峰電壓串入時(shí)，經(jīng)EMI濾波器后，有了一定的衰減； * 若衰減后的尖峰仍大于壓敏電阻的連續(xù)工作電壓值時(shí)，則壓敏電阻的阻值急劇下降，把尖峰能量吸收，電源得到保護(hù)。 * 要合理選擇壓敏電阻的連續(xù)工作電壓值，一般要高于連續(xù)工作電壓上限的20%左右。四四 軟啟動(dòng)電路軟啟動(dòng)電路 1 軟啟動(dòng) * 軟啟動(dòng)是指電源啟動(dòng)時(shí)，其

15、輸出電壓隨時(shí)間緩慢增加，變化規(guī)律如圖。 * 需要軟啟動(dòng)的原因，是由于電源輸出濾波電容較大，開(kāi)始工作時(shí)電容兩端電壓為零，未儲(chǔ)能；如果輸出電壓突然建立到額定值，將導(dǎo)致： * 軟啟動(dòng)時(shí)間，指輸出電壓上升到0.9U0時(shí)所用時(shí)間，一般為幾百毫秒。 在很短時(shí)間內(nèi)形成很大的充電電流，對(duì)整流二極管、功率開(kāi)關(guān)、電容自身都會(huì)造成嚴(yán)重的過(guò)流沖擊。 易使過(guò)流或短路保護(hù)動(dòng)作，影響電源的正常啟動(dòng)及使用壽命。tU00.9U0T12 軟啟動(dòng)過(guò)程3 軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法 * 指電源啟動(dòng)時(shí)，使功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈寬從0開(kāi)始緩慢地展寬到額定輸出電壓時(shí)所對(duì)應(yīng)的寬度。 * 軟啟動(dòng)可利用電容的充電特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。UREFCR2R1 * 供電時(shí)，基準(zhǔn)

16、電壓UREF立刻建立，但電容C的存在，使電壓誤差放大器同相輸入端電壓從零逐漸上升、使PWM脈沖寬度從零開(kāi)始緩慢展寬。 * 關(guān)機(jī)時(shí)，電容C通過(guò)電阻R2放電，再次啟動(dòng)時(shí)仍具有軟啟動(dòng)功能。5 軟啟動(dòng)與輸入浪涌電流抑制電路的關(guān)系 * 在輸入濾波電容充電結(jié)束，限流電阻短路后，輸出軟啟動(dòng)電路才開(kāi)始工作。4 軟啟動(dòng)控制電路設(shè)計(jì) * 在各種PWM控制芯片里，一般都有軟啟動(dòng)控制電路，只需要在設(shè)置端外接一個(gè)電容即可。* 如需要對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)：PWM控制XRCSS X=1時(shí)，三極管導(dǎo)通、無(wú)脈沖輸出； X=0時(shí)，三極管截止、正常啟動(dòng)工作。五五 過(guò)熱保護(hù)過(guò)熱保護(hù) 1 熱敏電阻2 溫度開(kāi)關(guān)4.4 熱回路設(shè)計(jì) 一 半導(dǎo)體器

17、件熱設(shè)計(jì)的必要性1 器件芯片最高允許結(jié)溫的限制 器件芯片的溫度超過(guò)結(jié)溫，將引起器件電的或熱的不穩(wěn)定，而導(dǎo)致器件的失效。一般，硅材料在200以下，鍺材料在100 以下。二二 功率開(kāi)關(guān)管損耗計(jì)算功率開(kāi)關(guān)管損耗計(jì)算 1 電阻性負(fù)載開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗2 半導(dǎo)體器件還要受到溫度變化的限制 半導(dǎo)體芯片是通過(guò)焊劑焊在基座上的，因?yàn)槠浣佑|部分熱膨脹系數(shù)不同，所以外部溫度頻繁變化時(shí)，會(huì)使結(jié)合面材料疲軟，致使兩個(gè)表面分離，最終導(dǎo)致器件的失效。RLuceicUitticucetontoff 開(kāi)關(guān)管兩端電壓下降和開(kāi)關(guān)管中電流上升是同步的，只是方向相反。onirtt 開(kāi)通電流上升時(shí)間offiftt關(guān)斷電流下降時(shí)間2 電感

18、性負(fù)載開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗RLuceicUiiLiD * 在開(kāi)關(guān)管截止期間，iC=0、 iL= iD，負(fù)載通過(guò)二極管續(xù)流、 uce=Ui。 * 導(dǎo)通時(shí)，iC增加到iL以前，二極管仍導(dǎo)通，uce=Ui，只有經(jīng)過(guò)tvr后iL= ic，二極管截止， uce下降、經(jīng)tvf后下降到零而關(guān)斷。 * 關(guān)斷時(shí)，iC稍一下降，二極管便開(kāi)始導(dǎo)通、 uce經(jīng)很短時(shí)間tvr上升到Ui 、電流才開(kāi)始明顯下降，經(jīng)tif后下降到零而關(guān)斷。)(6100ifirmittceccecoffonttIfUdtuifdtuifPirif)(6100ifvrvfirmittceccecoffonttttIfUdtuifdtuifPirif

19、3 開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗mcesmcesONONIDUIUTTP* 對(duì)于GTR、GTO、IGBT ，Uces有一定的參考值。* 對(duì)于MOSFET，一般給出Rds ，其損耗為 DRIPDSmON24 開(kāi)關(guān)管的截止損耗很小可忽略二二 二極管損耗計(jì)算二極管損耗計(jì)算 1 二極管的反向恢復(fù)損耗ftUIPrrDMmrr5 . 02 二極管的通態(tài)損耗FmONUDIP3 二極管的開(kāi)通損耗二極管的開(kāi)通時(shí)間很短，開(kāi)通損耗可忽略。4 二極管的截止損耗二極管的截止漏電流很小，截止損耗可忽略。UDM二極管承受的反向電壓三 熱的傳輸方式熱的傳輸有三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射 * 傳導(dǎo)是熱能從一個(gè)質(zhì)點(diǎn)傳導(dǎo)下一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，而質(zhì)點(diǎn)保持不

20、動(dòng)的過(guò)程。1 傳導(dǎo)12()KAPTTL * 熱的傳導(dǎo)與電的傳輸相似：上式中的P是熱流功率，A為傳導(dǎo)體的截面積，L為傳導(dǎo)體的長(zhǎng)度，括號(hào)內(nèi)為溫度差。* K 是材料的導(dǎo)熱率，其量綱為W/cm2 。* 銅的導(dǎo)熱率為4.01；鋁的導(dǎo)熱率為2.25。 * 此式與導(dǎo)體中的電流計(jì)算式相似，所以可以應(yīng)用分析電路的方法分析熱路。 * 對(duì)流我們都很熟悉，天氣的變化就是一種對(duì)流，稱為自然對(duì)流。相對(duì)的還有強(qiáng)迫對(duì)流，就是強(qiáng)迫將被加熱的介質(zhì)帶走熱量。2 對(duì)流LRS12U UIR12()KSIU UL12()KAPTTL * 被加熱的介質(zhì)變輕，自然上升帶走熱量，稱為自然對(duì)流.3 輻射 * 輻射是借助于電磁波的形式將熱傳輸出去

21、。它與輻射面的表面積、粗糙度和顏色有關(guān)。* 三種傳熱方式往往同時(shí)存在，熱傳輸是多維的。 * 如，芯片到外殼的熱傳輸主要是傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射可忽略不計(jì)；在高空條件下，對(duì)流處于次要地位，主要是傳導(dǎo)和輻射散熱。四 熱路歐姆定律1 熱阻 * 表示介質(zhì)傳熱的能力，其意義就是單位功耗所引起的溫升，用Rth表示。* 熱阻的單位是/W* 一般在說(shuō)明熱阻時(shí)，要說(shuō)明從某處到某處的熱阻。2 熱路歐姆定律* 根據(jù)熱電相似原理引入熱路的概念 * 在熱路中，熱流相當(dāng)于電路中的電流，熱阻相當(dāng)于電路中的電阻，溫度差相當(dāng)于電位差。thabPRT * 即，當(dāng)熱量從A物體向它周?chē)腂物體擴(kuò)散，A物體的溫升等于A物體的發(fā)熱功率與從A到B的熱阻的乘積。 * 如物體內(nèi)有N個(gè)發(fā)熱點(diǎn)，其熱功率分別為P1、P2 Pn，則引起A處溫升的總功率為nPPPP213 等效熱路* 開(kāi)關(guān)電源中的功率開(kāi)關(guān)管或整流二極管的等效熱路 * 在散熱系統(tǒng)中，芯片會(huì)與外殼、殼與散熱器、殼與環(huán)境有熱交換，其溫度和熱阻分別如圖所示。 * 殼與環(huán)境的熱阻要遠(yuǎn)大于殼與散熱器的熱阻，所以前一熱路可等效為后一熱路。* Tj、TC、TS、Ta分別是芯