在各種新型先進(jìn)設(shè)備上實(shí)施協(xié)同式電路保護(hù)可有助于提高設(shè)備可靠性、減少元器件數(shù)量,并使其符合嚴(yán)格的安規(guī)要求。
協(xié)同式方法能夠幫助保護(hù)電源、繼電器和螺線管,避免因線路故障或過(guò)載造成電流增大以及尖峰電壓或暴露在穩(wěn)態(tài)過(guò)壓狀態(tài)帶來(lái)的危害。
SMPS設(shè)計(jì)考慮因素
開(kāi)關(guān)電源(SMPS)可滿(mǎn)足消費(fèi)類(lèi)電子對(duì)尺寸、重量以及節(jié)能的需求,因此在很多應(yīng)用包括白家電中正替代線性穩(wěn)壓器。但因?yàn)镾MPS缺乏過(guò)去設(shè)計(jì)方案所具有的固有電阻,因此它們通常需要更為可靠的線路保護(hù)。
高分子聚合物正溫系數(shù)(PPTC)過(guò)電流保護(hù)器件可以幫助制造商滿(mǎn)足UL60950-1/LPS (有限電源)對(duì)SMPS的要求,并提高設(shè)備的安全性與可靠性。該器件雖然不能防止故障的發(fā)生,但卻能快速反應(yīng),將電流限制到一個(gè)安全的水平,以使下游元件免遭損壞。另外PPTC器件尺寸較小,可以很容易地用在空間受限的應(yīng)用中。
PPTC器件在正常工作電流下具有較低阻抗值,而當(dāng)處于過(guò)電流狀態(tài)時(shí)則會(huì)跳升到高阻狀態(tài),電阻增加將使流過(guò)的電流降低,從故障狀態(tài)變?yōu)檩^低的穩(wěn)態(tài),從而幫助保護(hù)設(shè)備電路。器件將保持鎖止?fàn)顟B(tài)直到故障解除,當(dāng)電路電源回到正常后,PPTC器件將會(huì)復(fù)位并使電流恢復(fù),使電流回到正常工作狀態(tài)。
如圖１所示,PolySwitch? PPTC器件可以串聯(lián)在電源輸入端,幫助保護(hù)因電路短路、線路過(guò)載或者用戶(hù)誤操作造成的損壞。另外,在輸入兩端放置金屬氧化物變阻器(MOV)還可提供過(guò)壓保護(hù)。
圖１ 開(kāi)關(guān)電源常用電路保護(hù)設(shè)計(jì)
PolySwitch也可以放在MOV的后面,很多設(shè)備制造商喜歡在保護(hù)電路里將可復(fù)位PolySwitch器件與上游失效安全保護(hù)結(jié)合在一起,此例中R1作為鎮(zhèn)流電阻與保護(hù)線路結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。
螺線管設(shè)計(jì)考慮因素
螺線管是一種電磁器件,它由線圈、線框、電樞以及支撐架組成。線圈和支撐架在線框上由機(jī)械固定,電樞則插在線圈中。當(dāng)線圈受到電流激勵(lì)時(shí)將產(chǎn)生磁力,把活塞拉入線圈并固定在支撐架上。
螺線管受到激勵(lì)后,電樞行程終端位置由一個(gè)傳感器檢測(cè),傳感器將電樞位置信息反饋給系統(tǒng)電路,以關(guān)閉螺線管電源。如果傳感器失靈,造成電樞沒(méi)能拉入,間歇性工作的螺線管將產(chǎn)生大量熱并可能會(huì)失效。
將PPTC器件與MOV組合在一起安裝于AC輸入的初級(jí),可以保護(hù)過(guò)流與過(guò)壓失效造成的損壞。與一次性熔斷絲不同,可復(fù)位PPTC器件還能保護(hù)因失效造成溫度升高而只有輕微電流變化帶來(lái)的損壞。
某些過(guò)載情況也會(huì)導(dǎo)致MOV保持夾緊狀態(tài)并繼續(xù)導(dǎo)電,這將最終造成器件溫度過(guò)高而失效。此時(shí)可將PPTC器件與MOV器件串聯(lián)并靠近以便其溫度接近,由于MOV將熱傳遞給PPTC器件,PPTC器件參數(shù)變化加快,限制了流過(guò)MOV的電流,這樣MOV可在更大過(guò)載狀態(tài)提供保護(hù)。
這一技術(shù)可使設(shè)計(jì)人員利用PPTC器件的溫度響應(yīng),并取代電路中其他熱保護(hù)元件。PPTC器件這里不僅具有兩種功能,而且還是一種完全可復(fù)位方案。
螺線管失效最常見(jiàn)的原因是機(jī)械出現(xiàn)堵塞,可能是螺線管受到臟物的污染,或者有碎片卡在電樞和線圈內(nèi)壁之間,阻礙了正常運(yùn)動(dòng)。其他問(wèn)題包括未對(duì)準(zhǔn)、彈簧損壞或者力量方向相反。
這些情況都可能導(dǎo)致流過(guò)螺線管的電流不變而線圈溫度升高,最終燒掉線圈的絕緣層和線路。如圖2a和2b所示,在正常情況下螺線管每個(gè)周期線圈溫度都會(huì)升高,圖2c顯示了過(guò)溫故障如何導(dǎo)致線圈繞組被燒掉,圖2d則顯示一個(gè)插入到線路中的PolySwitch器件在升到120℃ 時(shí)限制IIN使線圈溫度逐漸降低以保護(hù)線圈免受損壞。
圖2 PolySwitch器件通過(guò)限制線圈電流防止過(guò)流/過(guò)溫造成的損壞
繼電器設(shè)計(jì)考慮因素
繼電器經(jīng)常用在消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備中以較小信號(hào)電平控制大電流和高電壓的場(chǎng)合,或者用于切換必須與控制電路隔開(kāi)的電流。繼電器最基本的部分是線圈、電樞和觸點(diǎn)。將繼電器接入電路后,電流將在繼電器線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng),然后磁場(chǎng)作用于電樞使得繼電器輸出所連接的觸點(diǎn)接通或者斷開(kāi)。
過(guò)高的電壓或者電流可能導(dǎo)致繼電器損壞,一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是繼電器斷開(kāi)感性負(fù)載的電流時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓。如果尖峰電壓足夠大超過(guò)繼電器觸點(diǎn)額定電壓,觸點(diǎn)就可能被損壞(V = Ldi/dt),這一損壞可能是突然的,也可能是緩慢的,經(jīng)過(guò)多年的工作后出現(xiàn)。
另外,當(dāng)觸點(diǎn)斷開(kāi)電流斷開(kāi)時(shí),如果流經(jīng)觸點(diǎn)的電流過(guò)大也會(huì)造成損壞。過(guò)大的電流與電壓還會(huì)損壞繼電器線圈。如果繼電器線圈設(shè)計(jì)為在正常工作狀態(tài)下只有很短的激勵(lì)時(shí)間,那么正常工作電流下如果偶爾激勵(lì)時(shí)間延長(zhǎng)也會(huì)損壞線圈。
圖3顯示了一個(gè)常見(jiàn)的繼電器保護(hù)線路。一個(gè)PolySwitch器件與繼電器線圈串聯(lián),以便在出現(xiàn)故障或者偶爾過(guò)載時(shí)限制電流。該圖還顯示了PolySwitch與繼電器觸點(diǎn)串聯(lián)的情況。
圖3 典型的過(guò)流/過(guò)壓繼電器保護(hù)線路
選擇PPTC器件時(shí),其額定電壓等于或大于最大可能電壓是非常重要的,同時(shí)其保持電流也要等于或大于正常工作狀態(tài)下最大穩(wěn)態(tài)電流。另外,還必須考慮最高環(huán)境溫度,因?yàn)榄h(huán)境溫度升高會(huì)導(dǎo)致保持電流下降。
圖3還顯示繼電器觸點(diǎn)并聯(lián)了一個(gè)MOV或者M(jìn)LV,其額定參數(shù)取決于電壓和最大浪涌電流,重要的是所選擇的器件不會(huì)在正常峰值電壓下傳導(dǎo)大電流。MOV參數(shù)包括最大允許AC或DC電壓,每個(gè)MOV和MLV器件也有最大額定浪涌電流,確定額定浪涌電流的常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)做法是采用8/20微秒波形(上升時(shí)間為8微秒,下降到峰值一半的時(shí)間為20微秒)。隨著變阻器尺寸的增加,8/20微秒浪涌電流額定值也會(huì)升高,MOV或MLV也可與繼電器線圈并聯(lián),如圖3所示。
總結(jié)
協(xié)同式過(guò)壓/過(guò)流線路保護(hù)可以幫助設(shè)計(jì)人員減少元器件數(shù)量,設(shè)計(jì)更加安全和可靠的產(chǎn)品,并符合法規(guī)的要求,降低保修和維修成本。PPTC器件具有可恢復(fù)功能和低線路阻抗特性,其額定電壓為240VAC,允許最大電壓達(dá)265VAC,并可安置在AC輸入線路上。MOV和MLV器件可幫助制造商符合系列安規(guī)要求,并提供大電流處理能力和能源吸收性能以及對(duì)于瞬時(shí)過(guò)電壓的快速響應(yīng)。
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