防護電路中的元器件

PTC是一種限流保護器件，它有一個動作溫度值TS，當其本體內溫度低于TS時，其阻值維持基本恒定，這時的阻值稱為冷電阻。當正溫度系數電阻本體那溫度高于TS時，其阻值迅速增大，可以達到的最大阻值能過比冷電阻值打104倍左右。由于它的阻值可以隨溫度升高而迅速增大，所以一般串聯于線上用作暫態大電流的過流保護。PTC在信號線及電源線路上都有應用。

PTC反應速度較慢，一般在毫秒級以上，因此它的非線性電阻特性在雷擊過電流通過時基本發揮不了作用，只能按它的常態電阻(冷電阻)來估算它的限流作用。熱敏電阻的作用更多的體現在諸如電力線碰觸等出現長時間過流保護的場合，常用于用戶線路的保護中。

目前PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC兩種，其中陶瓷PTC的過電壓耐受能力比高分子材料的PTC好，但高分子材料的PTC響應速度比陶瓷PTC快。通常陶瓷PTC不能實現低阻值，低阻值的PTC均采用的是高分子的材料。

6、 保險管、熔斷器、空氣開關

保險管、熔斷器、空氣開關都屬于保護器件，用于設備內部出現短路、過流等故障情況下，能夠斷開線路上的短路負載或過流負載，防止電氣火災及保證設備的安全特性。

保險管一般用于單板上的保護，熔斷器、空氣開關一般可用于整機的保護。下面簡單介紹保險管的使用。

對于電源電路上由空氣放電管、壓敏電阻、TVS管組成的防護電路，必須配有保險管進行保護，以避免設備內的防護電路損壞后設備發生安全問題。圖4-5給出了保險應用的兩個例子，其中a電路中防護電路與主回路共用一個保險，當防護電路短路失效時主回路供電會同時斷開，b電路中主回路和防護電路有各自的保險，當防護電路失效時防護電路的保險斷開，主回路仍然能正常工作，但是此時端口再出現過電壓時，端口可能會因為失去防護而導致內部電路的損壞。兩種電路各有利弊，在設計過程中可以根據需要選用。無饋電的信號線路、天饋線路的保護采用保險管的必要性不大。

圖5 保險應用的兩個例子

保險管的特性主要有：額定電流、額定電壓等。其中額定電壓有直流和交流之分。

標注在熔絲上的電壓額定值表示該熔絲在電壓等于或小于其額定電壓的電路中完全可以安全可靠地中斷其額定的短路電流。電壓額定值系列包括在N.E.C規定中，而且也是保險商實驗室的一項要求，作為防止火災危險的保護措施。對于大多數小尺寸熔絲及微型熔絲，熔絲制造商們采用的標準額定電壓為32、63、125、250、600V。

概括而言，熔絲可以在小于其額定電壓的任何電壓下使用而不損害其熔斷特性。防護電路中的保險管，宜選用防爆型慢熔斷保險管。

7 、電感、電阻、導線

電感、電阻、導線本身并不是保護器件，但在多個不同保護器件組合構成的防護電路中，可以起到配合的作用。

防護器件中，氣體放電管的特點是通流量大、但響應時間慢、沖擊擊穿電壓高;TVS管的通流量小，響應時間最快，電壓鉗位特性最好;壓敏電阻的特性介于這兩者之間，當一個防護電路要求整體通流量大，能夠實現精細保護的時候，防護電路往往需要這幾種防護器件配合起來實現比較理想的保護特性。但是這些防護器件不能簡單的并聯起來使用，例如：將通流量大的壓敏電阻和通流量小的TVS管直接并聯，在過電流的作用下，TVS管會先發生損壞，無法發揮壓敏電阻通流量大的優勢。因此在幾種防護器件配合使用的場合，往往需要電感、電阻、導線等在不同的防護元件之間進行配合。下面對這幾種元件分別進行介紹：

電感：在串聯式直流電源防護電路中，饋電線上不能有較大的壓降，因此極間電路的配合可以采用空心電感，如下圖：

圖6 用電感實現兩級防護器件的配合

電感應起到的作用：防護電路達到設計通流量時，TVS上的過電流不應達到TVS管的最大通流量，因此電感需要提供足夠的對雷擊過電流的限流能力。

在電源電路中，電感的設計應注意的幾個問題：

1、電感線圈應在流過設備的滿配工作電流時能夠正常工作而不會過熱;

2、盡量使用空心電感，帶磁芯的電感在過電流作用下會發生磁飽和，電路中的電感量只能以無磁芯時的電感量來計算;

3、線圈應盡可能繞制單層，這樣做可以減小線圈的寄生電容，同時可以增強線圈對暫態過電壓的耐受能力;

4、繞制電感線圈導線上的絕緣層應具有足夠的厚度，以保證在暫態過電壓作用下線圈的匝間不致發生擊穿短路。

在電源口的防護電路設計中，電感通常取值為7～15uH。

電阻：在信號線路中，線路上串接的元件對高頻信號的抑制要盡量少，因此極間配合可以采用電阻，如下圖：

圖7 用電阻實現兩級防護器件的配合

電阻應起到的作用與前述電感的作用基本相同。以上圖為例，電阻的取值計算方法為：測得空氣放電管的沖擊擊穿電壓值U1，查TVS器件手冊得到TVS管8/20us沖擊電流下的最大通流量I1、以及TVS管最高鉗位電壓U2，則電阻的最小取值為：R≥(U1-U2)/I1。

在信號線路中，電阻的使用應注意的幾個問題：

1、電阻的功率應足夠大，避免過電流作用下電阻發生損壞;

2、盡量使用線性電阻，使電阻對正常信號傳輸的影響盡量小。

導線：某些交/直流設備的滿配工作電流很大，超過30A，這種情況下防護電路的極間配合采用電感會出現體積過大的問題，為解決這個問題，可以將防護電路分為兩個部分，前級防護和后級防護不設計在同一塊電路板上，同時兩級電路之間可以利用規定長度的饋電線來做配合。

圖8 用導線實現兩級防器件的配合

這種組合形成的防護電路中，規定長度饋電線所起的作用，與電感的作用是相同的，因為1米長導線的電感量在1～1.6uH之間，饋電線達到一定長度，就可以起到良好的配合作用，饋電線的線徑可以根據滿配工作電流的大小靈活選取，克服了采用電感做極間配合時電感上不能流過很大工作電流的缺點。

8 、 變壓器、光耦、繼電器

變壓器、光耦和繼電器本身并不屬于保護器件，但端口電路的設計中可以利用這些器件具有的隔離特性來提高端口電路抗過電壓的能力。

端口雷擊共模保護設計有兩種方法：

1、線路對地安裝限壓保護器，當線路引入雷擊過電壓時，限壓保護器成為短路狀態將過電流泄放到大地;

2、線路上設計隔離元件，隔離元件兩邊的電路不共地，當線路引入雷擊過電壓時，這個瞬間過電壓施加在隔離元件的兩邊。只要在過電壓作用在隔離元件期間，隔離元件本身不被絕緣擊穿，并且隔離元件前高壓信號線不對其他低壓部分擊穿，線路上的雷擊過電壓就不能夠轉化為過電流進入設備內部，設備的內部電路也就得到了保護。這時線路上只需要設計差模保護，防護電路可以大大簡化。例如以太網口的保護就可以采用這種思路。能夠實現這種隔離作用的元件主要有：變壓器、光耦和繼電器等。

這里的變壓器主要是指用于信號端口的各種信號傳輸變壓器。變壓器一般有初/次級間絕緣耐壓的指標，變壓器的沖擊耐壓值(適用于雷擊)可根據直流耐壓值或交流耐壓值換算出來。大致的估算公式為：沖擊耐壓值=2×直流耐壓值=3×交流耐壓值。

圖9 用變壓器實現隔離

上圖示出一種將變壓器結合在內的信號端口防護電路設計。雷擊時，設備外部的線纜上可感應的對地共模過電壓作用在變壓器的初級和次級之間，如圖9。只要初/次級不發生絕緣擊穿，設備外電纜上的過電壓就不會轉化為過電流進入設備內部。這時端口只需要做差模保護，利用變壓器等器件的隔離特性，有利于簡化端口的防雷電路。

采用這種方法設計需要注意的是：變壓器、光耦和繼電器等元件本身的絕緣耐壓能力應很高(例如沖擊耐壓大于4kV)，否則在過電壓的作用下很容易發生絕緣擊穿，不能起到提高端口耐壓的作用。另外，利用變壓器的隔離特性時，需要注意變壓器的初/次級間有分布電容，某些情況下外部線纜上的共模過電壓可通過分布電容從初級耦合到次級，從而進入到內部電路中，這樣就破壞了變壓器的隔離效果，因此應盡量選用帶有初次極間屏蔽層的變壓器，并將變壓器屏蔽層外引線在單板內接地，如圖9所示。這時變壓器的有效絕緣耐壓變成了初級與屏蔽接地端間的絕緣耐壓值。采用共模隔離設計的另一個需要注意的問題是初級電路與單板上其它電路、地的印制線在單板上應分離開，并有足夠的絕緣距離。一般，印制板上邊緣相距1mm的兩根印制走線，能耐受1.2/50us沖擊電壓4kV左右。

在防護電路的器件選型過程中對氣體放電管、壓敏電阻、熱敏電阻、保險管、熔斷器、空氣開關等都要選擇有安全認證的器件。