部分元器件電源端口的防護設計中的應用普及

介紹幾種重要的無源防護器件，主要針對這些器件在電源端口的防護設計中的應用。

一、器件介紹

1、氣體放電管GDT

GDT的原理就是利用高壓時氣體電離產生弧光放電來進行高壓泄放，可以理解為一個高壓控制的開關管。具體放電過程：正常時處于高阻狀態，有高壓時開始進入輝光狀態，電流增大，進入弧光放電狀態，類似導通。GDT導通時電壓很低約為20~50V，因此可以保護后級電路，主要用于雷擊浪涌的高壓保護。

主要參數：

這里總結GDT的幾個應用特點：

1.1 通流量大，能達到上百KA。

1.2 響應時間慢。因為管內的氣體電離需要時間，一般在幾百nS。

1.3 絕緣電阻高，一般達到1GΩ。因此漏電流小。

1.4 寄生電容小，只有幾PF，因此對高速信號影響小。

1.5 存在直流續流電壓。就是導通后依靠低壓依然有電流通過。

1.6 多次放電后性能下降，需要更換，因為電離的原因。

2、壓敏電阻MOV

金屬氧化物壓敏電阻顧名思義就是電阻響應一定電壓值，工作原理是通過在高壓狀態下進行。

MOV應用的幾個特點：

2.1 通流量較大，一般在數十KA。

2.2 殘壓較高，因此需要配合其他次級保護器件。

2.3 DC漏電流小。

2.4 寄生電容較大，在nF左右，因此高速信號限制使用，交流時漏電流較大。

2.5 反應時間較快，在數十nS級別。

2.6 使用壽命較短，損壞模式短路較多。

3、熱敏電阻PTC

熱敏電阻主要是串在電路中進行大電流保護（這里是指過流保護用的PTC），基本原理就是過流發熱導致電阻急劇增大阻斷通路。高分子PTC熱敏電阻是由聚合物基體和使其導電的碳黑粒子組成。由于這種材料具有一定的導電能力，因而其上會有電流通過。當有過電流通過熱敏電阻時，產生的熱量將使其膨脹，從而碳黑粒子將分離、其電阻將上升，而且上升速度很快。主要參數及選型：

應用特點：

3.1 響應速度一般。

3.2 通流量一般，主要用于短路保護。

3.3 焊接時注意高溫導致損壞。

4、穩壓管ZENER

穩壓管的工作原理就是利用PN結反向擊穿時電壓基本不變的特性。

主要說一說穩壓二極管和普通二極管有何不同：穩壓二極管在反向擊穿后能夠穩壓在于其對擊穿電流進行了限制，而且穩壓二極管的斜率更陡峭。基本參數也比較簡單，主要考慮工作電壓和電流，有些應用場合需要注意漏電流。

5、半導體放電管TSS

TSS是一種相對特殊的保護器件，當外加電壓低于其不動作電壓VDRM時，管子的漏電流極小，相當于斷路；當外電壓繼續加大時，開始發生擊穿（類是于二級管）；當外電壓進一步加大后，管子的兩端變成導通狀態，相當于短路，可以泄放很大的電流；當外電壓撤去以后，管子即可恢復斷態。

應用特點：

5.1 響應快，在ns級

5.2 寄生電容小

5.3 存在維持電流

5.4 漏電流很小

5.5 雙向對稱特性

5.6 通流量在幾百A，不大。

最重要的應用注意事項是應用在有源應用中必須加限流電阻，保證系統工作電流和短路電流小于維持電流IH，否則TSS就會一直導通。

6、瞬態抑制二極管TVS

TVS可以說是EMC防護器件中最好用的器件之一，主要是響應速度快，對ESD等作用顯著。

基本參數：

應用特點：

6.1 響應快 ns級

6.2 漏電流較大

6.3 通流量較小

7、玻璃氣體放電管SPG

玻璃放電管,將半導體Si集成在氣體放電管里，使該產品集氣體放電管的大浪涌電流和半導體的高速響應于一體，克服了原氣體放電管響應速度慢（μs級）和半導體管耐浪涌電流弱的缺點、具有響應速度快（ns級）、耐沖擊、性能穩定、重復性好和壽命長等優點，但是玻璃易碎，總體而言玻璃氣體放電管處于陶瓷氣體放電管和TVS之間。具體使用方式和GDT類似。

8、自恢復保險絲PPTC

自恢復保險絲在保護電路中應用很多，PPTC經過特殊處理的聚合樹脂(Polymer)及分布在里面的導電粒子(Carbon Black)組成。在正常操作下聚合樹脂緊密地將導電粒子束縛在結晶狀的結構外，構成鏈狀導電電通路，此時的自復保險絲為低阻狀態(a)，線路上流經自復保險絲的電流所產生的熱能小，不會改變晶體結構。當線路發生短路或過載時，流經自復保險絲的大電流產生的熱量使聚合樹脂融化， 體積迅速增長，形成高阻狀態(b)，工作電流迅速減小，從而對電路進行限制和保護。

9、高壓電容電容

在保護應用中主要是用來處理EMC問題，利用電容的耦合特性進行高頻干擾的泄放。

10、感性器件感性器件在電路保護中也有很多應用，如變壓器，磁珠，磁環，差共模電感等。

10.1 磁珠磁珠的主要材料是鐵氧體，就是鐵鎂合金或者鐵鎳合金。典型特點就是高頻損耗非常大。鐵氧體抑制元件廣泛應用于印制電路板、電源線和數據線上，如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件，就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環或磁珠專用于抑制信號線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。

應用要點：靠近保護點。100M阻抗值。DCR直流阻抗，影響電源線。額定電流，在電源濾波時注意使用。

10.2 共模電感

共模電感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，常用于開關電源和高速差分信號中過濾共模干擾噪聲。根據應用場合可以分為電源端口EMI濾波用和信號端口EMI濾波用，信號口共模電感的共模阻抗很高，但是差模阻抗比較低，可以應用在高速信號端口。

二、應用設計

上面介紹了一些常用的防護器件，那么在輸入電源端口的保護中如何進行組合應用

交流220V接口的防護設計:

保險絲進行大電流保護，GDT和MOV進行浪涌保護，GDT隔離MOV避免MOV的漏電流問題。GDT導通后壓降在20-50V左右，通過MOV通流，GDT漏電流小，寄生電容小。X/Y電容進行差模共模干擾濾除，共模電感也是進行共模干擾濾除。

直流輸入端口的防護設計：

基本思路如上，差別主要在于參數的選擇。

實際上電源輸入端口的防護設計看起來類型比較簡單，無非就是幾種防護器件的組合應用，我們實際設計中是沒有標準結構的，也不可能一味的堆疊器件，因此首先還是要考慮應用場合，譬如電源端口安全隱患是否大（容易誤插等），室內還是室外，電磁環境是否復雜（設備附近有大電機），以及后級電路是否敏感脆弱等。可能一個TVS就可以解決了EMC的防護問題，也可能因為系統布線等問題導致電源的傳導騷擾繞過了端口等。

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