0 前言
本文為EMC小知識(shí)學(xué)習(xí)簡(jiǎn)筆系列的 第四篇 ,前文EMC小知識(shí)學(xué)習(xí)簡(jiǎn)筆(三)介紹了數(shù)字IC電源、時(shí)鐘、接口相關(guān)的濾波設(shè)計(jì)。接下來(lái)介紹 EMC防護(hù)中的主流防護(hù)器件 ,本文首先介紹 鉗位型防護(hù)器件MOV、TVS ,下期為大家?guī)?lái)開(kāi)關(guān)型防護(hù)器件GDT、TSS。
下圖為MOV、GDT、TSS、TVS的防護(hù)特性曲線對(duì)比,從圖中可以直觀地感受到各類型器件的防護(hù)差異。
1 壓敏電阻(VDR/MOV)
1.1 壓敏電阻說(shuō)明(MOV、VDR)
壓敏電阻是一種對(duì)電壓敏感,電阻值隨電壓而變化的阻器,英文名稱叫Voltage Dependent Resistor,簡(jiǎn)寫(xiě)為VDR。它是一種過(guò)壓保護(hù)元件,與電路并聯(lián)使用,正常電壓下相當(dāng)于一個(gè)小電容,當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)高電壓時(shí),它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通,用來(lái)保護(hù)電子產(chǎn)品或元件免受開(kāi)關(guān)或雷擊產(chǎn)生突波的影響。
金屬氧化物壓敏電阻(MOV)是一種特定類型的壓敏電阻,通常由鋅氧化物制成,應(yīng)用廣泛。
壓敏電阻的尺寸和耐壓一般會(huì)被明顯地標(biāo)注在本體外殼上,如20D471K代表壓敏電阻的直徑為20mm,壓敏電壓為470V。
MOV與TVS的IV曲線比較相似,Vdrm和Vc分別為壓敏電阻的壓敏電壓和最大鉗位電壓。可以看到MOV的防護(hù)速度和鉗位值都比較穩(wěn)定,保護(hù)后存在殘壓。
1.2 壓敏電阻選型
a. 確定電路正常工作電壓和壓敏電壓
根據(jù)電路的工作電壓通過(guò)以下的方式來(lái)確定壓敏電阻的 壓敏電壓 (Vrwm 擊穿電壓),一般情況壓敏電壓選取為電路最大直流工作電壓的1.5倍,在交流狀態(tài)下還要考慮峰值,計(jì)算結(jié)果應(yīng)擴(kuò)大1.414倍。
壓敏電阻導(dǎo)通后的最高電壓為Vc,應(yīng)確保Vc及殘壓低于后級(jí)電路耐壓;
b. 確定被保護(hù)電路的防護(hù)量級(jí)和通流量
根據(jù)防護(hù)量級(jí)確定壓敏電阻通流量,一般要求最大通流量為理論計(jì)算通流量的2倍以上,以便增加器件的使用壽命,即:Imax≥I工作*2。
以下為一些測(cè)試工況的計(jì)算示例:
1kV電源差模防護(hù):測(cè)試回路內(nèi)阻為2R,計(jì)算回路電流為I =V /R =500A,器件通流量選擇要求Imax>l*2=1000A;
4kV電源共模防護(hù):測(cè)試回路內(nèi)阻為12R,計(jì)算回路電流為333A,器件通流量選擇要求lmax>I*2=660A;
1kV信號(hào)共模防護(hù):測(cè)試回路內(nèi)阻為42R,計(jì)算回路電流為25A,器件通流量選擇要求Imax>I工作*2=50A.
c. 確定壓敏電阻兩端的結(jié)電容
結(jié)電容值以不影響被防護(hù)電路的正常工作為準(zhǔn),MOV的寄生電容很大,一般在nF或幾十nF級(jí)別,下圖是不同信號(hào)電路的推薦結(jié)電容范圍。
電源電路 :如果是加在線-線之間,結(jié)電容可以不用關(guān)注,如果是加在線對(duì)地之間,那么需要考慮漏電流對(duì)于產(chǎn)品安全的影響:
信號(hào)電路 :防護(hù)器件的結(jié)電容需要根據(jù)保護(hù)電路信號(hào)速率來(lái)定,高速信號(hào)線上盡可能的選擇結(jié)電容小的器件,以免影響電路的正常工作。
d. 注意事項(xiàng)
一般不建議壓敏電阻并聯(lián)使用(分流不均)。
壓敏電阻的失效模式為短路起火,當(dāng)應(yīng)用到電源電路時(shí),應(yīng)在前端加裝保險(xiǎn)絲,以防止能量超過(guò)額定能量后擊穿短路,無(wú)法恢復(fù)。
當(dāng)壓敏電阻用于電源口線-地共模防護(hù)時(shí),需要在線地之間增加保險(xiǎn)絲,防止器件失效導(dǎo)致電源對(duì)地短路,或配合氣體放電管使用(防止MOV殘壓以及MOV失效時(shí)的對(duì)地短路)。
1.3 壓敏電阻實(shí)測(cè)及應(yīng)用案例
實(shí)測(cè)MOV的鉗位電壓,還是比較準(zhǔn)確的,曲線也和理論值比較符合。
MOV老化之后,容易起火失效(老化主要是多次工作后漏電流等增加導(dǎo)致的,同時(shí)工頻電壓一直存在),MOV的失效模式是短路,所以一般應(yīng)用要 串保險(xiǎn)絲或者氣體放電管 。
MOV鉗位電壓實(shí)測(cè)MOV失效起火
壓敏電阻在AC和DC電源中可以用于 差模和共模防雷 。下圖是兩個(gè)應(yīng)用案例。AC220V一般使用471耐壓規(guī)格,DC48V一般使用101規(guī)格。
AC電源壓敏電阻應(yīng)用電路DCD電源壓敏電阻應(yīng)用電路
2 瞬態(tài)抑制二極管(TVS)
2.1 TVS器件說(shuō)明
瞬態(tài)電壓抑制器(TVS Transient Voltage Suppressor)的工作類似于普通的穩(wěn)壓管,基于半導(dǎo)體硅材料,通過(guò)功率半導(dǎo)體工藝加工而成,屬于 鉗位型防護(hù)器件 ,與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。
瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級(jí))和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。TVS 可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過(guò)電壓,一般用于比較精細(xì)的場(chǎng)景(ESD、浪涌)。
TVS能夠處理的電壓范圍一般在3V-550V,Ipp在幾A~幾百A(10/1000us)。
TVS的關(guān)鍵參數(shù):
Vr/Vrwm/Vdrm:TVS的反向截止電壓/可重復(fù)承受電壓/最大額定直流電壓,TVS的型號(hào)名一般對(duì)應(yīng)這個(gè)電壓值。
Vbr:TVS擊穿電壓,阻抗開(kāi)始突然降低,進(jìn)入雪崩狀態(tài)。
Vc:抑制電壓/鉗位電壓,當(dāng) TVS 管承受高能量沖擊時(shí),管子中流過(guò)大電流峰值為lpp,端電壓由 Vr 上升到 Vc 值就不再上升了,從而實(shí)現(xiàn)了保護(hù)作用。
It:Vrwm的測(cè)試電流,一般為1mA,Ir一般對(duì)應(yīng)1uA(存疑)。
Ipp:瞬態(tài)峰值電流,允許流過(guò)的最大浪涌電流,反映了TVS的浪涌承受能。
Ppp:峰值功率,一般是Vc和Ipp相乘。
Cj:結(jié)電容,數(shù)據(jù)一般是在1MHz下測(cè)試的,TVS的結(jié)電容一般偏大。
2.2 TVS選型
根據(jù)保護(hù)電路工作電壓,確定器件反向關(guān)斷電壓
明確防護(hù)電路的最大工作電壓,反向關(guān)斷電壓應(yīng)該大于等于保護(hù)電路最大工作電壓,即:Vrwm > V_工作(交流需要*1.414)。
根據(jù)防護(hù)技術(shù)需求,確定 TVS 管鉗位電壓和功率參數(shù)
TVS的最大鉗位電壓 Vcmax => (1.5~2.0)Vrwm,一般反向關(guān)斷電壓和通流量 lpp 確定后,TVS 管需要滿足的最小峰值功率Pw => Vcmaxlpp=(1.5~2.0)*Vrwm*lpp。
如果需要保留功率較大的降額,在滿足防護(hù)要求的情況下,增加 TVS 管器件功率值,以達(dá)到更大的防護(hù)性能。注意測(cè)試條件的持續(xù)時(shí)間,如果規(guī)格書(shū)與測(cè)試條件不一致,需要在表格中查找對(duì)應(yīng)測(cè)試時(shí)間的Ipp或Ppp。
對(duì)小電流負(fù)載的保護(hù),可有意識(shí)地在線路中增加 限流電阻或PTC ,只要限流電阻的阻值適當(dāng),不會(huì)影響線路的正常工作,就有可能選用峰值功率較小的 TVS 管來(lái)對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。
根據(jù)防護(hù)電路工作頻率確定 TVS 管結(jié)電容
根據(jù)防護(hù)電路工作頻率確定 TVS 管結(jié)電容 (信號(hào)接口考慮),要注意 TVS 管結(jié)電容的累積效應(yīng)。
4.注意事項(xiàng)
TVS用于信號(hào)口靜電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),在滿足功能要求的情況下,針對(duì) TVS 管功率無(wú)要求,基本上所有 TVS 管都可以滿足靜電抗擾度最高等級(jí) (空氣放電 15kV,接觸放電8kV) 測(cè)試要求。
要防止電源和負(fù)載正常的波動(dòng)導(dǎo)致TVS誤動(dòng)作。
由于 TVS 管通流量有限,因此 TVS 管一般情況下不單獨(dú)用于電源口的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)。
2.3 測(cè)試及案例
下圖是針對(duì)TVS SMDJ58CA的測(cè)試示意,可以看到VBR、VC、IPP均符合要求。
應(yīng)用案例1:DC的電源接口防護(hù)
DC28V供電,過(guò)浪涌等級(jí)1-對(duì)應(yīng)開(kāi)路電壓500V。
a. 確定標(biāo)準(zhǔn)和功率要求。
需要滿足浪涌抗擾度標(biāo)準(zhǔn) IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)等級(jí) 1 ,根據(jù)浪涌設(shè)備(組合波發(fā)生器)的機(jī)理,差模測(cè)試其內(nèi)部匹配電阻一般為2R,也就是說(shuō)500V開(kāi)路電壓對(duì)應(yīng)250A短路電流。由于發(fā)生器和EUT之間通過(guò)18uF電容耦合,導(dǎo)致開(kāi)路電壓和短路電流的持續(xù)時(shí)間不同,一般為1.2/50μs開(kāi)路電壓,8/20μs短路電流,兩者是同一個(gè)測(cè)試條件
b. TVS電壓選型
穩(wěn)態(tài)工作電壓要大于輸入額定的28V,28V*1.2倍=33.6V,可以選擇36V。
c. 脈沖電流和峰值功率計(jì)算
標(biāo)準(zhǔn)要求的 1.2/50us 波形條件下測(cè)試電流 lpp: 250A,轉(zhuǎn)換為測(cè)試峰值功率 P=lpp 測(cè)試*Vc=250A*58=14500(W) =14.5 (Kw)。
d. 對(duì)照規(guī)格書(shū)
查找符合上述條件的器件規(guī)格書(shū),找到一款器件型號(hào):5.0SMDJ36 符合要求且考慮到一定的降額設(shè)計(jì) 80%。一般規(guī)格書(shū)可能會(huì)給10/1000us的數(shù)據(jù),可以根據(jù)表格找對(duì)應(yīng)1.2/50us的。
應(yīng)用案例2:ESD保護(hù)
ESD雖然靜電電壓很高,但是持續(xù)時(shí)間非常短(ns級(jí)),上升時(shí)間0.7-1ns,半波時(shí)間30ns,放電電流也很小(幾十A級(jí)),因此實(shí)際功率很小,對(duì)于TVS來(lái)說(shuō)是小意思。
設(shè)備如果為金屬殼,TVS優(yōu)先接到機(jī)殼屏蔽地上,靠近接口放置。
應(yīng)用案例3:芯片ESD保護(hù)
如果TVS的鉗位電壓不夠低,可以在TVS和敏感芯片之間加電阻,來(lái)保護(hù)芯片,作用主要是分壓。
如果TVS的功率不夠高,可以在輸入和TVS之間加功率電阻或者PTC,作用主要是限流。
如果能量實(shí)在特別大,可以采用GDT/MOV+電阻/PTC/電感+TVS的組合(兩級(jí)防護(hù)),保護(hù)時(shí),電阻/電感+TVS的電壓要高于前面的GDT/MOV鉗位電壓,要不然不會(huì)起作用。這里是利用了前級(jí)MOV/GDT大功率+TVS快速精細(xì)防護(hù)的特點(diǎn)。
應(yīng)用案例4:防護(hù)器件PCB布局
TVS放置在接口處,就近連接到地。走線要有:先進(jìn)TVS焊盤(pán),再出去的那種感覺(jué)。
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原文標(biāo)題:EMC學(xué)習(xí)簡(jiǎn)筆(四)- 鉗位型防護(hù)器件(MOV、TVS)
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