在开关电源的使用过程中,为了保障电源的稳定性和安全性,通常会设计一些辅助电路来防止开关电源遭受损害。这些辅助电路涵盖了浪涌冲击保护、防静电保护、传导干扰以及脉冲群抗扰等方面。本文将详细讨论浪涌冲击保护电路中所采用的压敏电阻(MOV)和瞬态抑制二极管(TVS)的应用和选型技巧。
如图1展示的那样,这是一个全面的EMC推荐电路设计,它涵盖了浪涌保护、传导干扰抑制和脉冲群抗扰等多种电路。
如图2所示是一个独立的DC-DC电源防浪涌冲击、防静电保护电路
压敏电阻MOV的使用和选型
压敏电阻应在其规格参数允许的范围内运作,否则可能引发过热、性能退化甚至损坏。压敏电阻的主要失效方式为短路,若短路时间过长,可能引起爆炸、火灾或对周围元件造成损害。压敏电阻以其经济实惠、抗浪涌性能优越和广泛的电压适用范围而受到广泛应用。在选择压敏电阻时,以下几点选型建议可供参考:
1、根据压敏电压(UN)的选取
选取压敏电阻器的时候,首先要考虑到电网或者电路工作电压的波动幅度,选取压敏电阻的压敏电压时,要留有足够的余量。还要考虑到连续施加在压敏电阻两端的电源电压,选用压敏电压高一点的压敏电阻,可以降低故障率,延长使用寿命,但也有一个缺点就是残留的电压会增大。
2、根据通流量(IP)的选取
压敏电阻的标称放电电流应该大于要求承受的浪涌电流或者可能出现的最大浪涌电流。标称放电电流应该按照压敏电阻浪涌寿命次数定额曲线中冲击10次以上的数值进行计算,约为最大冲击通流量的30%(即0.3IP)左右。
3、根据箝位电压(VC)的选取
压敏电阻的箝位电压必须小于被保护的部件或设备能承受的最大电压(即安全电压)。
在直流回路中要求UN≥(1.8~2)Vdc,交流回路中则要求UN≥(2~2.5)Vac,而在信号回路中则需满足UN≥(1.2-1.5)Vmax。同时在选择时注意避免残留电压过高损坏被保护电路即VC值选择不能过高。为了解决压敏电阻在动作后存在过高的残留电压VC,在设计电路的时候往往会在MOV之后并联一个电容和一个TVS管来吸收和卸放残留电压确保电路中元器件不被损坏。
TVS瞬态抑制二极管的使用和选型
TVS瞬态电压抑制器是一种二极管形式的高效能保护器件,具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力。当TVS的两端收到反向瞬态过压脉冲时,能以极快的速度把两端的高阻抗变为低阻抗,以吸收瞬间大电流,并将电压箝制在预定数值,从而有效保护电路中的元器件避免受到损坏。所以TVS瞬态抑制二极管被广泛应用与浪涌冲击和防静电冲击电路中。下面就如何选型正确的TVS管给出解释。
TVS瞬态抑制二极管按照极性划分可分为单极性TVS和双极性TVS管,如图3所示为两种不同TVS管的V-I特性曲线图
TVS瞬态抑制二极管可以在多种电路场合下使用,起到保护电路元器件的作用,总结选型方法有以下几点可供参考:
首先,要明确被保护电路的最大直流或连续工作电压、额定标准电压以及“高端”容限。其次,TVS的额定反向关断电压VRWM需高于或等于被保护电路的最大工作电压;若VRWM过低,器件可能发生雪崩或因反向漏电流过大而干扰电路正常运作。第三,TVS的最大箝位电压VC应低于被保护电路的破坏电压。第四,在规定的脉冲持续时间内,TVS能承受的最大峰值脉冲功耗PM应超过被保护电路可能出现的峰值脉冲功率;在确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流也应超过瞬态浪涌电流。第五,对于数据接口电路的保护,选择具有适当电容C的TVS器件是必要的。最后,根据应用场景选择TVS的极性和封装结构,对于交流电路,双极性TVS更为适宜,而对于多线保护,使用TVS阵列更为有效。
在开关电源的应用中,浪涌保护和防静电保护电路是基本配置。设计这些保护电路时,通常会结合使用压敏电阻MOV和TVS瞬态抑制二极管,以实现多重保护效果。如图2展示的那样,一种浪涌保护和防静电保护电路的设计中,输入和输出端均采用了TVS瞬态抑制二极管,其中输出端使用TVS的目的是为了防止静电或用电端产生的浪涌电压损坏开关电源输出端的元件。
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