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  • 常用的EMC防护器件选型技巧
    常用的EMC防护器件选型技巧
  • 常用的EMC防护器件选型技巧
  •   发布日期: 2024-03-01  浏览次数: 164

    一、压敏电阻(MOV)

    压敏电阻的选型最重要的几个参数为:最大允许电压、最大钳位电压、能承受的浪涌电流

    首先应保证压敏电阻最大允许电压大于电源输出电压的最大值;其次应保证最大钳位电压不会超过后级电路所允许的最大浪涌电压;最后应保证流过压敏电阻的浪涌电流不会超过其能承受的浪涌电流。

    工作原理:压敏电阻相当于一个可变电阻,它是并联于电路中。当电路正常工作时,它的阻抗很大,漏电流很小,相当于开路,对电路几乎没有影响。但当一个很高的突波电压到来时,压敏电阻的电阻值瞬间下降,使它可以流过很大的电流,同时将电压钳位在一定数值。

    选型方法:

    1、确定应用电路正常工作电压和压敏电阻,一般情况压敏电压实际数值是电路最大直流工作电压的1.5倍,在交流状态下需考虑峰值,结果应扩大1.414倍

    2、根据防护量级确定压敏电阻通流量

    电源电路差模防护:由内阻决定(测试防护量级2Ω),通流量2倍

    电源电路共模防护:由内阻决定(测试防护量级12Ω),通流量2倍

    信号电路共模防护:由内阻决定(测试防护量级42Ω),需考虑结电容,通流量2倍

    3、确定压敏电阻两端的结电容

    电源电路:如果加在线线之间,可以不用关注,加在线对地之间共模防护,需考虑漏电流对产品影响,加保险丝

    信号电路:高速信号线上尽可能选择结电容小的器件

    选型注意事项

    1) 要求器件的最大通流量为理论计算通流量2倍以上,即Imax≥I工作*2

    2) 若通流量不能满足使用要求时,将几只单个的压敏电阻并联使用,其通流量为个单只压敏电阻数值之和。要求并联电阻伏安特性尽量相同,以免分流不均损坏压敏电阻。

    3) 压敏电阻在应用到电源电路之前必须加保险丝。

    4) 压敏电阻用于电源口对地进行共模防护,需在线地之间增加保险丝,防止器件失效导致电源对地短路。

    防护电路工作频率确定压敏电阻结电容:根据防护电路工作速率确定能够加在线路上的对地电容,一般对于信号接口线路需要考虑工作频率和结电容。

    AC电源输入防护:压敏电阻同流量大,因此结电容比较大,用在交流电源口漏电流比较大,因此需要配合气体放电管使用。

    压敏电阻是放保险丝前面还是后面

    在同时使用保险丝及压敏电阻的时候,压敏电阻放保险丝前面还是后面呢?查阅了网上的一些资料,有的说先保险丝,然后再是压敏电阻。理由如下:压敏电阻工作时,通过烧毁保险丝,把系统的电给断掉,但是我遇到的电路很多就是把压敏电阻用在保险丝之前我估计他们这样设计的原因是,压敏只不过是防止雷击之类的,这样,雷击完了,保险丝还是好的,可以正常工作。

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    如上图,这是保险丝在压敏电阻之前,当有高电压(比如雷击)从 Vin 进来时,你看看会有什么结果,应该是压敏电阻损坏,保险丝也断掉。分析原因:Vin 有高电压时,压敏电阻 RV7 短路,此时电流经过保险丝直接跟地短路了,定会产生很大的电流。保险丝绝对断掉。所以,保险丝跟压敏电阻是同时坏掉

    下面看保险丝接压敏电阻后面的情况,如下图

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    这个就要分两种情况第一种情况是 Vin 有高电压(比如雷击)进来时,此时压敏电阻 RV8 短路,保险丝 F3 这里没有大电流经过,所以保险丝不会断。后面的电路也不会损坏,此时是压敏电阻损坏,保险丝完好。

    第二种情况是 Vin 有电网瞬间波动大电流进来,但电压是没变,此时压敏电阻 RV8 没有损坏,照常工作。但保险丝F3 因有大电流经过,保险丝立即就熔断了。后面的电路得以保护。此时的情况就是压敏电阻没事,保险丝断了。

    二、气体放电管(GDT

    气体放电管属于开关型器件,相对于压敏电阻,它有一些差异特性,如导通延时长、导通后需要续流、极间电容小、绝缘电阻高、泄露电流小等,因此常和压敏电阻串并联使用。例如串联时,可以解决压敏电阻泄露电流大、长期使用性能衰减或失效的问题;并联时,加快保护电路响应时间,气体放电管击穿后分掉大部分电流。

    1.工作原理:当外加电压增大到超过气体的绝缘强度时,两极间的间隙将放电击穿,由原来的绝缘状态转化为导电状态,导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平。为开关型过电压保护器件。正常的回路中处于高绝缘栅状态(GΩ级别)

    2.技术参数:直流击穿电压 冲击击穿电压 耐冲击放电电流 绝缘电阻(大于1GΩ) 结电容(小于3pF) 误差范围(直流击穿电压+-20%)

    3.选型

    直流开启电压,冲击电压越低越好,GDT响应速度越快(应用端口的工作电压需高于直流开启电压的最小值)

    A选型方法

    1)根据电路工作电压确定直流击穿电压(V击穿>=(1.5~2)*V工作)

    2)根据电路防护量级,去顶顶气体放电管的通流量(I实际>2*I额定)

    3)根据电路工作频率,确定器件最大结电容

    4)根据保护电路特性决定放电管的结构特点

    5)耐压测试时,器件的直流击穿电压必须大于耐压测试电压

    4.防护器件特性应用:MOV+GDT应用于电源端口

    前级与后级间,必须增加退耦器件,且通流量由后级决定。

    三、瞬态电压抑制器TVS

    同样作为保护器件,TVS与压敏电阻和气体放电管相比,响应速度更快,耐浪涌冲击能力较差,属于钳位器件,钳位电压更稳。常作为静电防护器件,也可以压敏电阻、气体放电管配合使用,作为分级防护释放浪涌能量。

    1.类似于普通的稳压管,是钳位型的干扰吸收器。

    2.与被保护设备并联使用。其具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬态电压以及感应雷所产生的过电压。

    3.选型方法

    1)、根据保护电路工作电压,确定器件反向关断电压。

    直流供电:Vrwm(反向关断电压)≥V工作 交流供电:Vrwm≥V工作*1.414

    最大工作电压需按电源口特性测试要求最大值来选择(直流工作电压范围大,往高的选)。

    2)、根据防护技术要求,确定TVS管钳位电压和功率参数。

    最大钳位电压Vcmax≥(1.5-2.0)*Vrwm,一般反向关断电压和通流量Ipp确定后,TVS管需满足最小峰值功率Pw≥Vcmax*Ipp=(1.5-2.0)*Vrwm*Ipp。

    3)、根据防护电路工作频率确定TVS管结电容。

    4.选型要点

    1 ) 反向关断电压≥保护电路最大工作电压(Vrwm>V工作)。

    2 )TVS管的最大钳位电压一般为击穿电压的1.4倍左右。

    3 ) 对于小电流负载的保护,可在线路中增加限流电阻。

    4 )对于电源电路上应用TVS管选型除了需要注意选择通流量要有一定余量设计以外,还需考虑电源电路正常工作时的电压波动可能会导致TVS管误动作,在选型时反向关断电压的选择需大于电路的最大波动电压。

    5 )TVS管通流量有限,所以TVS管一般情况下不单独用于电源口的浪涌防护设计。

    6 )TVS管接地端应用在需要打绝缘耐压的机壳地(PGND)上,需满足绝缘耐压500AC的要求。

    TVS管应用

    TVS管用于ESD防护:通常对外信号与电源接口都需要进行ESD防护设计,虽然静电电压比较高,但静电脉冲电流时间比较短,通常几十纳秒,因此对于防静电的TVS来讲,通常200w功率都可以满足15KV静电干扰。

    TVS管用于芯片ESD保护:在信号接口进行浪涌或静电防护设计时,如果TVS的残压过高,导致芯片不能承受时,可以在TVS后信号上串联电阻进行分压,从而降低芯片上所得到的残压。

    TVS管用于芯片保护:在信号接口进行浪涌防护设计时,如果TVS功率不够,可以采取前面加功率电阻分压限流,从而降低TVS管上所承受瞬态能量。

    TVS管应用总结:

    电源接口防护:DC电源浪涌、ESD防护

    I/O接口防护:接口电源防护

    敏感芯片防护:信号/电源ESD、浪涌防护

    TVS防护器件PCB走线:防护器件靠近接口位置,走线需短

    四、X电容

    X电容作为安规电容,跨接在L、N线之间,用于滤除电源差模干扰。其体积较大,但允许纹波电流较高,且耐压高。根据不同的应用可以选择X1、X2或X3电容。比如常用的X2电容,可以用于电网瞬态电压≤2.5KV的地方。

    五、Y电容

    Y电容通常会通常跨接在一次电路和二次电路之间或一次电路和保护地之间,以滤除共模噪声。其容量通常较小以满足漏电流要求。

    Y电容可以分为Y1、Y2、Y3、Y4等级,对于不同的等级能承受不同的脉冲电压,且要求在电气机械性能等方面有足够余量,避免出现击穿短路现象,危急人身安全。

    六、差模电

    通常用于滤除低频干扰。在差模浪涌测试时,会存储一部分能量并随即释放。在输出端静电试验时,也会有同样作用,如果将差模电感放在整流桥后,要小心其能量释放时产生的高压将整流桥损坏。

    七、共模电感

    共模电感通常用于滤除高频干扰。在共模浪涌测试时,可以在绕组上并联钳位器件或增加放电齿,避免拉弧影响电路正常工作。

    另外,两绕组间的不完全耦合会形成差模电感。

    八、热敏电阻NTC

    为防止冷机启动,冲击电流过大的问题,通常在前级电路中加入NTC。若NTC放在钳位器件和保险丝之间,差模浪涌测试可能将其烧毁。若放置在钳位器件后面,保险丝有可能烧断,因此,不能选用熔断时间太快、电流太小的保险丝。

    九、半导体放电管(TSS

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    1.工作原理

    TSS是一种PNP型器件,可以看作是一个没有门极的晶闸管

    2.选型方法

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    3.选型注意事项

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    十、实例

    以AC-DC开关电源浪涌试验为例,当共模电压6KV加在ACL-PE或ACN-PE上时,其路径等效为一个内阻约12Ω的电压源与共模电感、Y电容串联。因Y电容选用了Y1等级,其耐压较高,浪涌能量不足以使其损坏,因此仅需保证PE布线与其他布线保持一定间距即可。

    但是测试时,共模电感两端的高压可能引起飞弧,若其他器件靠近可能会被影响。因此在其上并联了压敏电阻限制其电压,从而起到灭弧的作用。若考虑成本,也可以考虑使用放电齿。

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    另外,还可以考虑用气体放电管配合压敏电阻等方式来设计抗浪涌电路。


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