一種新型交流電源線保護(hù)電路設(shè)計(jì)

交流電源線的過壓保護(hù)是一種常見的做法，其中包括各種保護(hù)電路解決方案。大多數(shù)設(shè)計(jì)都是成本驅(qū)動(dòng)的，并且往往只使用最低限度的保護(hù)策略。每年售出數(shù)十億臺(tái)低成本金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 器件以滿足這些需求。對(duì)于需要最大限度減少保修退貨或滿足其他產(chǎn)品線成本問題的保護(hù)方案的其他設(shè)計(jì)，可以使用將氣體放電管和 MOV 組合成單封裝解決方案的新型混合器件以及功率瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管。這些器件提供增強(qiáng)的保護(hù)功能，從而提供更高的可靠性。在許多情況下，較高的初始成本將被售后維護(hù)和保修節(jié)省所抵消。

還有一類應(yīng)用程序，其中不能選擇失敗。在許多此類應(yīng)用中，維修或更換成本是由訪問設(shè)備的成本驅(qū)動(dòng)的，而不是設(shè)備本身的價(jià)值。示例包括塔式和桿式燈、標(biāo)牌、攝像頭和通信設(shè)備。在其他應(yīng)用中，根本不能容忍設(shè)備故障。這些可能包括緊急通信、軍事和醫(yī)療設(shè)備、關(guān)鍵的 5G 微微蜂窩和安全系統(tǒng)。

本文介紹了一種新穎的保護(hù)電路，旨在滿足此類關(guān)鍵應(yīng)用的要求。

電壓鉗陷阱

電路保護(hù)設(shè)計(jì)人員必須確保輸入電壓浪涌不會(huì)超過交流輸入組件的額定電壓。幾乎所有傳統(tǒng)的交流電源線過壓保護(hù)策略都使用電壓鉗位裝置。無論采用何種核心技術(shù)，電壓鉗位對(duì)浪涌電流的抵抗力雖小但真實(shí)，這意味著更高的浪涌電流將驅(qū)動(dòng)更高的允通鉗位電壓。（圖 1 顯示了典型 MOV 器件的特性。）這意味著總會(huì)存在一定程度的浪涌電流，這可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞鉗位電壓。

圖 1：典型的 10-mm MOV 電壓-電流特性曲線。。（來源：伯恩斯公司）

趨勢(shì)是選擇低壓額定值以產(chǎn)生最低鉗位電壓。但是，保護(hù)裝置絕不能在正常電源線電壓變化期間導(dǎo)通，這種變化可能超過線電壓的 20%。在連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行基本上確保了保護(hù)組件的破壞，因?yàn)檫@些組件傳統(tǒng)上僅針對(duì)瞬態(tài)條件進(jìn)行額定。

這些相互競(jìng)爭(zhēng)的要求對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了真正的挑戰(zhàn)。在關(guān)鍵應(yīng)用中，解決方案通常是選擇額定電壓非常高的線路輸入組件，而這些保護(hù)組件的成本相應(yīng)增加。

救援電子限流器

電子限流器 (ECL) 在檢測(cè)通過電流的兩端雙向集成電路中使用耗盡型（通常為“導(dǎo)通”）MOSFET。當(dāng)電流超過額定跳閘電流時(shí)，這些設(shè)備可以在大約一微秒內(nèi)“關(guān)閉”。一旦跳閘，內(nèi)部 FET 器件將保持“關(guān)閉”狀態(tài)，直到下一次電壓過零，此時(shí)它會(huì)恢復(fù)到低電阻“開啟”狀態(tài)。在“關(guān)閉”狀態(tài)下，ECL 可以承受幾百伏的電壓。

如果 ECL（例如 Bourns TBU 高速保護(hù)器(HSP) 瞬態(tài)阻斷單元器件）與小型 TVS 二極管（見圖 2）耦合，則當(dāng)超過 TVS 閾值電壓時(shí)，TVS 器件開始導(dǎo)通。這會(huì)導(dǎo)致電流流入 TVS 設(shè)備，進(jìn)而使 ECL 跳閘。此操作會(huì)在 TVS 擊穿電壓下精確地將受保護(hù)電路與交流電源斷開。該保護(hù)電壓水平與浪涌電壓的大小無關(guān)。

圖 2 顯示了使用 ECL 和 TVS 器件組合的典型保護(hù)電路。。（來源：伯恩斯公司）

對(duì)下游 AC 輸入組件實(shí)施這種精確且有保證的電壓限制，使保護(hù)設(shè)計(jì)人員能夠最大限度地降低這些組件的額定電壓，從而在確保有效保護(hù)的同時(shí)節(jié)省成本。

負(fù)載過流保護(hù)

ECL 也可能因流向受保護(hù)電路的過大電流而跳閘。這可能是由受保護(hù)電路中的故障（不是由過壓事件引起）引起的，該故障可能是永久性的，也可能是暫時(shí)的。在這種情況下，ECL 充當(dāng)自動(dòng)復(fù)位線路保險(xiǎn)絲。只要故障持續(xù)存在，ECL 就會(huì)在交流輸入電壓的每半個(gè)周期跳閘，防止過多的功率流向下游。

ECL 還可以用作軟啟動(dòng)控制器，限制電源啟動(dòng)期間的峰值浪涌電流，從而減少整流二極管、濾波電容器和其他交流輸入組件的壓力。

電壓驟升保護(hù)

如果交流輸入電壓膨脹達(dá)到危險(xiǎn)水平，TVS 二極管將開始導(dǎo)通，就像它在瞬態(tài)事件期間一樣，防止超過設(shè)計(jì)限制的電壓到達(dá)受保護(hù)電路。只要電壓驟升事件持續(xù)存在，這可能每半個(gè)周期發(fā)生一次。由于 ECL 在超過電壓限值之前一直處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，因此仍允許電流流向受保護(hù)電路。在許多情況下，受保護(hù)電路將在 ECL 設(shè)備關(guān)閉之前的每個(gè)半周期內(nèi)消耗足夠的功率，以允許應(yīng)用程序繼續(xù)正常運(yùn)行。一旦浪涌條件結(jié)束，ECL 將保持“開啟”狀態(tài)，直到下一次交流浪涌或瞬態(tài)事件發(fā)生。

與簡(jiǎn)單的電壓鉗位保護(hù)電路不同，該電路不僅可以承受交流線路電壓的升高，還可以保護(hù)下游組件免受更高電壓的影響。在許多情況下，這種電路設(shè)計(jì)方法甚至允許應(yīng)用程序在電壓驟升事件期間正常運(yùn)行。

管理初級(jí)過壓

上述電路有效地管理傳送到受保護(hù)電路的電壓和電流。然而，還需要考慮“初級(jí)保護(hù)”，這意味著保護(hù) ECL 器件免受超過數(shù)據(jù)表限制的電壓的影響，而不會(huì)干擾 ECL + TVS 器件組合提供的保護(hù)。

過壓事件的另一個(gè)來源是 ECL 本身的觸發(fā)。當(dāng)由非常常見的感應(yīng)電源供電時(shí)，電流的突然中斷會(huì)導(dǎo)致電感（變壓器、扼流圈等）輸出端的輸入電壓出現(xiàn)尖峰，以保持電流的連續(xù)流動(dòng)。這些峰值通常持續(xù)時(shí)間不長，但如果不加以管理，它們確實(shí)會(huì)對(duì) ECL 構(gòu)成威脅。

例如，可以選擇額定承受 850 V 的 Bourns TBU HSP 用于交流電力線服務(wù)，從而設(shè)置最大鉗位電壓。TVS 擊穿電壓設(shè)置初級(jí)保護(hù)擊穿電壓的下限。使用這種組合方法有助于確保初級(jí)保護(hù)在可接受的電壓水平下處于非活動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)仍為 ECL 器件提供所需的保護(hù)。

功率損耗管理

應(yīng)考慮 ECL 中的功率損耗。例如，為保護(hù)消耗 100 W、功率因數(shù)為 0.8 的 125-VAC 應(yīng)用而部署的 ECL 的輸入電流為 100 ÷ 125 ÷ 0.8 = 1 Arms。使用 3-Ω ECL 設(shè)備會(huì)導(dǎo)致 3-W 功率損耗。當(dāng)然，沒有人希望在他們的保護(hù)方案中看到 3% 的功率損耗，但在“故障不是一種選擇”的應(yīng)用中，這可能是可以容忍的。（請(qǐng)注意，240 VAC 應(yīng)用將有一半的電流和四分之一的損耗。）

圖 3 顯示了為上述場(chǎng)景設(shè)計(jì)的該電路的實(shí)現(xiàn)。首先選擇 TVS 二極管以承受 125 VAC 以上 15% 的電壓膨脹，其峰值電壓為 125 × √2 × 1.15 = 203 V。

圖 3：對(duì)于該電路，Bourns 型號(hào) SMCJ180CA TVS 二極管是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，其擊穿電壓介于 201 和 222 V 之間。通過四個(gè)并聯(lián) Bourns TBU HSP 型號(hào) TBU-CA085-500- 可以實(shí)現(xiàn)所需的 3-Ω ECL 電阻WH 設(shè)備，導(dǎo)致約 2 A 的跳閘電流。單擊以獲得更大的圖像。（來源：伯恩斯公司）

圖 4：使用 Bourns 型號(hào) CVQ175K20 MOV 器件的規(guī)定過壓保護(hù)（綠色箭頭）。在高達(dá) 10,000 A（紫線）的浪涌事件期間，該解決方案將保持電壓遠(yuǎn)低于 800 V（紅線）。。（來源：Bourns, Inc.）

有信心的保護(hù)

使用本文介紹的新型電路保護(hù)設(shè)計(jì)中的組件類型，讓設(shè)計(jì)工程師有信心保護(hù)其基于 AC 電源線的應(yīng)用，使其能夠承受幾乎任何可以想象的實(shí)際線路電壓驟升或浪涌。
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