保護電路的方法

2021-09-01

保護電路的方法

過壓、過流和發熱是最有可能損壞我們昂貴的硅基組件或縮短產品預期壽命的三個事件。效果通常是立竿見影的，但在某些情況下，我們的產品可能會經受數月的長期過度壓力，然后才會放棄。如果沒有足夠的保護，我們的電路很容易受到損壞，那么我們該怎么辦？或者我們需要做什么？

例如，如果額外的保護成本太高，我們可能會選擇承擔后果。無論哪種方式，作為設計師，我們都應該采取一些行動并以技術記錄的形式記錄我們的決定，以便將來可以看到并證明我們的選擇。理想情況下，我們首先列出威脅，即那些可能會發生的事情。在這里，從考慮客戶的不良處理做法（包括 ESD 效應）到間接雷擊浪涌的影響，在我們的PCB上產生以千伏為單位的電位是值得盡可能徹底的。如果要考慮全貌，就需要涵蓋所有可信的威脅。

威脅

MIL-STD-883 ESD（靜電放電）事件

IEC 61000-4-2 ESD 事件

IEC 61000-4-5 間接雷擊浪涌（交流電源線和信號/數據線）

交流電浪涌——我們當地供電的穩定性如何？

客戶濫用（肯定是一個棘手的領域）

溫度過高，包括意外和長期的氣候條件

通常不會保護 PCB組件的措施

值得一提的是，我們行業中使用的那些技術在保護我們的PCB或其組件方面并不是特別有用。我聽工程師說保險絲可以為 MOSFET 或二極管提供過電流保護，但這是天真的，因為保險絲可能需要很長時間才能在中等過電流下熔斷，而且熔斷速度不夠快以防止快速上升的瞬變。

保險絲（和斷路器）

我們在很多地方都能看到它們，當然也看到它們安裝在印刷電路板上，但是它們給聚會帶來了什么，或者它們保護了什么？主保險絲防止基礎設施損壞；它們將避免在墻內引起接線火災，并且如果某個組件（例如交流變壓器或 SMPS）發生短路故障，它們將防止我們的產品發生相應的燃燒。它們是可接受的火災保險單，但不能依賴它們來保護PCB組件，除非在少數特定情況下。

這是一個獨特的例子。在危險氣體或灰塵環境中使用的電子電路通常受到“齊納屏障”的保護，因為它們采用齊納二極管而得名。屏障將限制輸入氣體或粉塵區域內“本質安全”電路的電壓、電流和功率。然而，為了保護齊納二極管免受上游過功率情況的影響（如果發生故障），屏障依靠保險絲在齊納二極管受損之前開路。然而，總的來說，不能依靠保險絲來保護電子元件免受過電流浪涌的影響。例如，大多數集成電路 (IC) 或晶體管在保險絲充分斷開電源之前很久就會因過流而失效。與大多數半導體相比，保險絲的熱滯后太長了。

也不能依賴斷路器來保護我們的PCB組件。就像保險絲一樣，它們需要很長時間才能做出反應，而且損壞可以在幾毫秒甚至更短的時間內完成。

RCD、RCCB、GFCI 或 ELCB

這些設備測量（或推斷）不希望的接地電流的存在，并用于防止可能接觸設備的人和牲畜發生電擊風險。它們不一定為我們的 PCB或其組件提供任何保護。

確實保護 PCB 組件的措施

這些設備和技術被認為適用于保護我們PCB的電子元件免受過壓和過流事件的影響。

齊納二極管和 TVS 二極管

多年來，齊納二極管一直被用作電路保護措施。然而，為了處理高浪涌脈沖能量（例如來自 ESD 事件或間接閃電事件），TVS 二極管是首選解決方案，因為它們具有更大的 PN 結表面積。這使它們能夠安全地傳導更高水平的電流。但這有一個缺點。與齊納二極管相比，TVS 二極管通常具有更高的終端電容，并且在某些應用中會導致高頻信號的顯著劣化，而齊納二極管不會出現這種情況。幸運的是，有很多可供選擇，并且有一些類型專為高頻保護而設計，但以較低的浪涌處理能力為代價。

齊納二極管的主要特點是它可以比 TVS 更精確地調節電壓，這就是它們被用于電壓調節器電路的原因。這正是齊納二極管設計用于的應用，正是這種類型的應用決定了它們的制造方式和發貨前的測試方式。因此，齊納二極管在發貨前沒有經過浪涌測試。另一方面，TVS 二極管通常被選擇為不導電的（在我們的電路中保留），而齊納二極管被假定為導電和調節。因此，TVS 二極管在發貨前都經過了浪涌測試。

兩者在過壓應用中都很有效，但 TVS（與齊納二極管的封裝尺寸相同）可以處理更高的峰值浪涌能量。換言之，TVS 二極管專為 ESD 和浪涌事件而設計。最后，通?？梢砸揽?span lang="EN-US"> TVS 來使短路失效；因此，在死亡時，它仍然可以保護我們寶貴的電路（即使保險絲熔斷），而不能依賴齊納二極管以這種方式發生故障；它可能會開路失敗，因此，我們寶貴的電路不再受到下一個“事件”的保護。

金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)

與 TVS 二極管一樣，它們用于限制由高能量浪涌引起的極端電壓。但是，MOV 具有 TVS 二極管目前無法滿足的特定使用領域，即交流電源線。可以發現 TVS 二極管具有高達約 500 伏峰值的隔離電壓。然而，它們的低電流處理能力（在這個電壓水平下小于 1 安培）使它們不適合在交流電源線上提供間接雷擊浪涌保護設備。

引人注目的是二極管，它們可以快速響應，對于大多數 MOV 而言通常在幾納秒內，這對于上升時間為幾微秒的交流線路浪涌來說已經足夠了。然而，主要缺點之一是 MOV 每次處理浪涌時都會降低一點。它接收到的浪涌越強大，它就會越小，直到最終它會遭受熱失控（由于漏電阻增加）并使交流電源短路或開始燃燒。這就是為什么在交流電源應用中使用 MOV 時，還必須在保護電路中使用保險絲。

Crowbar 保護 - 氣體放電管 (GDT)

GDT 在某些應用中很有用，因為它們可以處理大量浪涌電流。他們之所以能做到這一點，是因為一旦他們最初產生電弧，他們就會將電壓“撬開”到一個低水平。因此，它們從具有高關斷電壓的器件轉變為鉗位電壓低得多的器件。瓦特代表瓦特意味著它們可以處理更高的電流浪涌。主要的缺點是，除非有一種機制可以熄滅低壓電?。ɡ缃涣麟妷貉h通過零伏），否則它們將永遠保持開啟狀態。這就是為什么它們不適合直流電壓系統的原因，因為沒有自然的滅火機制。它們在電信線路上大量使用，因為一旦浪涌得到處理，普通電話線的電流不足以維持電弧。

另一個缺點是與 MOV 和 TVS 二極管相比，它們的速度相對較慢。出于這個原因，它們有時與 MOV 結合使用；MOV 處理最初的快速浪涌，大約一微秒后，GDT 接管以安全管理大部分浪涌能量。GDT 還會因重復使用而退化和短路失效；因此，當應用于交流電源應用時，它們必須熔斷。

其他類型的撬棍保護

一種標準而直接的方法是使用晶閘管（或雙向可控硅）；一旦“檢測到”浪涌電壓，晶閘管就會激活并將電源電壓鉗位到低電平（與 GDT 非常相似）。通常，使用保險絲使線路開路。盡管如此，還有比使用限流電路（和定時器）更復雜的設計，一旦浪涌“消失”，電路就會恢復“正常運行”。后一種類型稱為自復位（或有源）撬棒電路。如果我們有一個由相對便宜的本地電壓調節器（可能無法短路）供電的昂貴且易受攻擊的電子電路，則撬棒可以提供可靠的二級保護。但是，它們不會持續快速運行——它們可能需要長達幾微秒的時間才能提供足夠的保護。

還有 TVS 晶閘管（可從通常的供應商處獲得），其商品名為 Trisil、Sidactor 和 Thyzorb。這些主要用于保護以太網設備免受差分浪涌影響的高速數據應用。它們具有低電容，可承受中等脈沖能量水平。然而，由于它們是一種撬棒器件，因此它們在輕微浪涌電流方面的性能優于（尺寸大?。┬⌒?span lang="EN-US"> TVS 二極管。它們通常是雙向設備，這意味著它們在正極性和負極性浪涌下的工作方式相同。在這方面，它們與 DIAC（用于某些晶閘管 Crowbar 電路的交流二極管）非常相似。

接地隔離技術

所有破壞性浪涌事件都被建模為以大地/大地為參考的電壓源，如果 PCB也接地/接地，則需要處理以防止電路故障的浪涌能量可能很高。因此，如果我們能夠將電路與外部世界的接口進行電流隔離，那么我們就可以顯著降低需要管理的浪涌能量強度。

想想以太網磁性以及它們為聚會帶來的東西。在某些情況下，它們可在PCB與其外部布線之間提供高達 6 kV 左右的電流隔離。因此，預期的浪涌能量顯著降低；浪涌電流沒有傳導路徑流向大地。是的，變壓器必須針對浪涌電壓進行額定。大多數以太網產品出于數據完整性的原因使用轉換器；添加一些額外的絕緣層并不是一個亮點。

然而，為了實現顯著的浪涌耐受能力，我們必須做好一些事情。我們需要在PCB上保持間隙距離，以便 kV 級浪涌不會“跨越”隔離。如有必要（在極端情況下），請加入PCB切口，但無論我們做什么，我們都應該以平衡的方式進行（不僅為了數據完整性，而且為了浪涌）。

必須對隔離的輸入/輸出信號走線應用平衡技術。例如，如果其線路 IO 端子不平衡，隔離的 RS485 接口 IC 可能仍然容易受到攻擊。我們試圖滿足的浪涌保護水平可能是 6 kV（僅作為示例），但如果我們不小心地對輸入電路和跡線（接地）進行阻抗平衡，通常 6 kV 的共模浪涌可能產生數十伏的局部差分電壓瞬變并破壞我們的 IC。

使用共模電容器接地會帶來嚴重的問題；這些電容器的值不會完全相同，并且自然會引入不平衡，從而導致破壞性的差分浪涌并破壞我們所有的良好意圖。如果我們有一個隔離輸入電路，我們應該盡力在所有可能的情況下保持這種方式。

光隔離也是另一種經過驗證和廣泛使用的技術。

讓我們不要忘記顯而易見的事情

電容器

我們一直在使用它們，但它們非常適合浪涌保護，尤其是 ESD 事件?？紤]到一個特定的“人體”(HB) ESD 事件相當于一個 100 pF 的電容器充電到（比如）2,000 伏，然后通過一個 1.5 kΩ 電阻器放電到我們寶貴的 PCB 上。忘記電阻并問問自己可以在我的敏感輸入中添加多大值的電容器將電壓降低到（比如）20 伏特？100 pF 電容器上的“電荷”是電容乘以電壓，等于 200 nC?，F在將此電荷施加到 10 nF 電容器，我們發現電壓變為 20 伏。換句話說，電容器在處理 ESD 事件方面非常出色。因此，如果我們的電路可以在其輸入端承受 10 nF 電容器，請幫自己一個忙，選擇這種明顯且廉價的過壓保護方案。在這種情況下，模擬工具是我們的朋友。

二極管

二極管非常適合將浪涌事件轉移到我們的電源軌。這是一種保護敏感輸入的廣泛方法，以防止來自由 H 橋驅動的電機的能量轉移。盡管如此，為了有效，我們必須提供局部去耦電容器，以便能量傳輸不會通過長的感應軌道而導致更嚴重的問題。換句話說，某些東西必須在不產生過高電壓的情況下接收能量，而去耦電容器就是解決方案。然而，這不是火箭科學，很容易實現。

當線圈停用時，繼電器線圈需要反激二極管來“捕捉”線圈存儲的感應能量。幾乎任何二極管都適用，因為它只能處理幾十毫秒的線圈電流。但是，如果繼電器（磁性裝置或螺線管）需要快速關閉，我們可以在二極管上串聯一個電阻，以更快地燒掉儲存的能量。如果線圈電流為 20 mA 并且我們有一個 1 kΩ 電阻器與反激二極管串聯，則在線圈驅動器晶體管上看到的峰值電壓將為 Vcc（例如 12 伏特）加上電阻器兩端的 20 伏特。您需要選擇一個能夠承受此電壓且具有一定舒適度的晶體管；在這個例子中可能至少考慮 45 伏。

電阻器

我見過一些設計師試圖將 TVS 二極管硬塞進他們的電路中，以保護脆弱的輸入免受 ESD 事件的影響，但盡管他們進行了計算，但他們還是無法使數字起作用。“我只是找不到電壓足夠低的 TVS 二極管來保護我的 CMOS 輸入，”我聽到他們說，當然，如果不影響 CMOS 高信號電平，這不會很快起作用。因此，我們在 TVS 二極管之后使用了一個串聯限流電阻。串聯電阻將進入 CMOS 輸入的電流限制為 1 mA（或數據表中規定的任何值），我們選擇鉗位（例如）不超過 10 伏的 TVS 二極管。這意味著，如果 CMOS 電源為 3.3 伏，它將在電阻器上下降 6.7 伏（1 毫安時）并保護輸入。這相當于一個 6.8 kΩ 的電阻器，價格低廉。

基本的 RC 或 LC 濾波器

我們經常使用這些來塑造信號，但它們也可以從浪涌事件中去除大量高頻能量。低通 RC 濾波器自然會做到這一點，不會有太多麻煩。由此產生的峰值輸出電壓（和浪涌電流）可以明顯更小，從而更容易選擇 TVS 二極管。串聯電阻器仍會受到很大功率的影響，但它很容易模擬。浪涌波形可以用直線近似，并且幾乎所有常用的仿真工具都提供測量電路中任何組件消耗的功率和能量的能力。

低通 LC 濾波器需要多加注意，但使用模擬器工具再次帶來好處。低通 LC 濾波器的高頻衰減是具有相同截止頻率的 RC 濾波器的兩倍。然而，多余的能量不會在電阻器中燃燒掉。有時，由此產生的峰值輸出電壓波形對功率不足的 TVS 二極管與原始浪涌一樣具有破壞性。因此，出于同樣的原因，請使用模擬器并準備使用與電感器并聯的電阻器（以降低 Q 因子）或與電感器串聯的電阻器。

許多數據傳輸系統在幾 MHz 以下沒有頻譜內容，使用高通濾波器（或帶通濾波器）也可以證明是一種有效的浪涌能量降低技術。

當電路未與地隔離時，濾波器技術（如上所述）適用于單個 IO 線，即濾波器輸出電容器將一些殘余能量分流到地/大地。嘗試將這種類型的濾波器與隔離 IO 電路一起使用會導致差分浪涌電壓出現在脆弱的 IC 引腳上，而且通常會使問題變得更糟。有關原因的解釋，請參閱接地隔離技術部分。

共模扼流圈也有相同的小字。它們可以很好地降低噪音，但如果沒有接地/接地組件（如電容器），它們就無法有效工作。如前所述，電容器可能會產生不需要的差分浪涌。

過流保護

當我們想到這一點時，我們可能會考慮輸出信號短路的后果。一個典型的例子是音頻放大器；許多放大器使用額外的晶體管來檢測輸出過流并限制驅動到揚聲器的電平，但是如果我們的電路有很多這樣的輸出信號，我們將如何實現保護？我們致力于防止客戶濫用，但并不總是有明確的解決方案。

對于運算放大器（運算放大器）等模擬輸出，我們可以添加一個串聯電阻（在負反饋回路內）來限制輸出電流。但是，對于需要以相對低的阻抗（大約 50 Ω）驅動差分線路的數字電路，我們可能會考慮選擇在輸出短路時能夠生存的設備。我們可能還需要選擇能夠承受間接雷擊浪涌的設備（并采用技術）。

對于數據和信號線，IEC 61000-4-5（浪涌抗擾度測試）規定，數據線浪涌通過 42 Ω 電阻器施加，而不是 2 Ω 信號源（用于交流電源線）；因此，2 kV 浪涌可產生 47.6 安培的預期短路電流（而交流電源線為 1,000 安培）。盡管這個電流對于外行來說聽起來仍然很高，但許多小尺寸和低電容的 TVS 二極管可以處理這樣的水平。

冒著聽起來有點重復的風險，模擬工具可以提供很多幫助。

熱保護

如果我們的電源在持續的時間內變得過熱，電解電容器將比任何其他組件退化得更快。任何電源模塊（例如 SMPS）都可能是我們電路中最熱的部分，因此值得考慮我們可以采取哪些措施來減輕熱效應。

我們可以選擇將我們的電源與輸入電源斷開。這需要一個特定的電路，可能還需要一個繼電器或固態繼電器 (SSR)，或者我們可以簡單地使用熱熔斷器?？梢赃x擇熱熔斷器，如果局部溫度在特定時間段內升高到特定水平以上，則該熔斷器會斷開。一旦損壞，某些類型的溫度保險絲需要更換，但其他類型使用雙金屬條原理工作，并在充分冷卻后復位。自復位類型通常用于低壓直流電源應用。

可相對容易且廉價地獲得與交流電源兼容的不可復位熔斷器。然而，我們必須權衡對我們的客戶來說可能更重要的東西；我們的產品應該保護自己免受持續高溫的影響并可以使用數十年，還是應該在高溫下繼續工作以保持工作但最終在一兩年內失效？一個棘手的選擇。