用于安防系統(tǒng)和火警的電路保護(hù)器件 - 全文

????? 安防和火警系統(tǒng)設(shè)計在特定電流和電壓范圍內(nèi)工作。如果由于短路、瞬時過壓而導(dǎo)致電壓和電流超出了正常范圍，系統(tǒng)中的部件就會永久損壞，設(shè)備也因此不能發(fā)揮正常功能。供電和電路走線也必須進(jìn)行保護(hù)，以避免在安裝過程中或后備電池短路時發(fā)生故障。

　　安防系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)器常常用于發(fā)生緊急情況時向消防部門或警察報警。這些電話線路必須進(jìn)行保護(hù)，以免被閃電、電力線搭線，或交流感應(yīng)電流毀壞。告警系統(tǒng)也必須符合UL864標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求焊裝的保險絲是不允許用在供電電路中進(jìn)行限流的。如果安防系統(tǒng)與電話線連接，在北美就必須符合UL60950和TIA968-A標(biāo)準(zhǔn)，在歐洲和其他地區(qū)也必須符合ITU K.21標(biāo)準(zhǔn)。

過流保護(hù)

　　在安防和告警系統(tǒng)中，保險絲通常用于過流保護(hù)。然而，UL864和UL90950對這些設(shè)備來講顯然要求過高了，它可能在某些測試條件下使設(shè)備發(fā)生疲勞。更重要的是，保險絲是一次性的器件，被燒毀后必須更換。

　　許多設(shè)備制造商更愿意使用可重復(fù)使用的聚合物正溫度系數(shù)（Polymeric Positive Temperature Coefficient：PPTC）器件來進(jìn)行電路保護(hù)，例如，PolySwitch器件。與保險絲不同，PPTC器件在發(fā)生短路故障后不用更換，并且允許在過流條件排除后重新上電使電路回到正常工作狀態(tài)。

　　PPTC器件由包括導(dǎo)電填充物在內(nèi)的合成物構(gòu)成，例如，碳黑填充物等，它們使整個器件可以導(dǎo)電。在常溫條件下，導(dǎo)電粒子在聚合物中形成很低的導(dǎo)通電阻。然而，如果溫度上升到器件的切換溫度（TSW），無論是由通過器件的大電流引起的，還是由環(huán)境溫度的驟然增加所引起的，都會導(dǎo)致聚合物中的微晶熔化并處于非結(jié)晶態(tài)。

　　在結(jié)晶體熔化階段，熔化的數(shù)量增加會將導(dǎo)電顆粒分離，從而使器件的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生非線性增加。導(dǎo)通電阻通常會增加三個或更多數(shù)量級。導(dǎo)通電阻的增加使流過故障條件下的設(shè)備電流降低到一個很低的、穩(wěn)定的值，因此有助于保護(hù)電路中的設(shè)備。

　　由于PPTC器件的導(dǎo)通電阻由低電阻轉(zhuǎn)換到高電阻狀態(tài)是基于溫度的變化的，所以這種器件可以實(shí)現(xiàn)過流和過溫保護(hù)。當(dāng)電流流過PPTC器件時，根據(jù)功率消耗公式I2R，電流被轉(zhuǎn)換成熱功率，器件就被加熱。當(dāng)加熱的溫度達(dá)到切換溫度時，PPTC器件就會“跳閘”，從而進(jìn)入高導(dǎo)通電阻狀態(tài)。

　　PPTC器件也可以放在某個需要進(jìn)行過熱保護(hù)的發(fā)熱器件旁邊或設(shè)備的結(jié)合處。如果設(shè)備的溫度達(dá)到了PPTC器件的切換溫度，PPTC器件就會轉(zhuǎn)換到高導(dǎo)通電阻狀態(tài)。通過這種方式，PPTC器件可以用于把電流降低到非常低的水平，或者作為設(shè)備超溫的系統(tǒng)指示。控制系統(tǒng)然后可以決定采取哪種合適的動作來保護(hù)設(shè)備或人員。

　　PPTC器件是串接到電路中的器件。與傳統(tǒng)保險絲相比，它們本身很小的體積有助于節(jié)省電路板空間。而傳統(tǒng)保險絲必須安裝在用戶可以觸到、可以更換的位置。由于PPTC器件是固態(tài)器件，所以它們能夠承受機(jī)械沖擊和震動。

過壓保護(hù)

　　有許多種方法可以用于保護(hù)安防和火警系統(tǒng)免于因開關(guān)或閃電所帶來瞬態(tài)過壓產(chǎn)生的故障。比較常用的兩類過壓保護(hù)方式是采用電壓鉗位器件和電壓監(jiān)視器件，或稱之為“crowbar”的器件。鉗位器件，如金屬氧化物變阻器（Metal Oxide Varistors：MOV）和二極管起作用時允許高到一個特定鉗位電平的電壓通過負(fù)載。電壓監(jiān)視器件，如氣體放電管（gas discharge tubes：GDT）和半導(dǎo)體閘流管浪涌抑制器在有超過關(guān)斷電壓的浪涌電壓發(fā)生時就會動作。

　　在供電線路需要過壓保護(hù)的應(yīng)用中，金屬氧化物變阻器可以承受大電流、吸收能量，而且響應(yīng)迅速。把金屬氧化物變阻器和PPTC成對使用可以實(shí)現(xiàn)一個完整的電路保護(hù)方案，用于保護(hù)供電線路和控制板中的變壓器。

安防和火警設(shè)備也必須進(jìn)行保護(hù)免受靜電放電（electrostatic discharge：ESD）的毀壞。ESD保護(hù)器件可以把電子設(shè)備中敏感電路累積的靜電放掉。PESD器件提供了ESD保護(hù)，并具有非常低的電容（0.2pF），特別適合高頻應(yīng)用。

新型保護(hù)IC

　　新一代增強(qiáng)聚合物齊納二極管也可以保護(hù)敏感的電子器件免于被感應(yīng)電壓尖峰、瞬態(tài)過壓、不正確的供電和極性接反等所損壞。如圖1所示，PolyZen器件包括一個用于電壓鉗位的穩(wěn)壓齊納二極管和一個非線性PPTC薄膜器件。

圖1? 增強(qiáng)型聚合物齊納二極管用于便攜電子設(shè)備的輸入電源保護(hù)

　　當(dāng)該器件工作時，PPTC薄膜通過低通狀態(tài)向高通狀態(tài)切換來實(shí)現(xiàn)二極管過熱或過流保護(hù)。在持續(xù)大功率過壓的條件下，PPTC元件的啟動限制了電流，并產(chǎn)生電壓降來有效地保護(hù)齊納二極管和其后的電子設(shè)備，也增加了二極管的功率承受能力。

　　PolyZen器件在鉗位和平滑感應(yīng)電壓尖峰方面效果顯著。對于感應(yīng)電壓尖峰，齊納二極管把電流分流到地，直到電壓達(dá)到正常工作范圍。在供電電壓異常的情況下，該類器件可以鉗位電壓，并對地分流額外的功率，實(shí)現(xiàn)了對異常電壓的鎖定。

　　PolyZen器件相對平坦的電壓電流響應(yīng)有助于鉗位輸出電壓，即使在輸入電壓和電流完全不對稱的情況下亦如此。簡單放一個這樣的器件就可以提供和齊納二極管相同的保護(hù)作用，但卻可以承受非常高的功率異常，而且不需要在通常的PCB走線上放置任何特殊的散熱器。

　　集成化的器件在電路保護(hù)方面可以有助于設(shè)備制造商滿足UL60950、TIA-968-A、ITU K.20和K.21電信保護(hù)的需求。2Pro器件包括PPTC過流保護(hù)技術(shù)，并將一種金屬氧化物變阻器也集成到一個熱保護(hù)器件中，它可以提供過流條件下的電流限制和過壓條件下的電壓鉗位。

圖2? 用于安防和火警系統(tǒng)中的電路保護(hù)方案示意圖

　　圖2描述了一個典型的用于安防和火警系統(tǒng)的電路保護(hù)方案。其中，過流保護(hù)是通過PolySwitch PPTC器件實(shí)現(xiàn)的。過壓保護(hù)是通過金屬氧化物變阻器和PESD器件實(shí)現(xiàn)的，并且集成了前面所描述保護(hù)設(shè)備I/O端口的PolyZen和2Pro器件。