電路保護:如何1加1大於4

作者 : Bill Schweber,EE Times特約作者

透過增加電子元件以提供電路保護,來防止內部和外部故障是吃力不討好的設計工作之一。儘管遵循監管要求和最佳實踐是不錯的出發點,但當不需要時,它似乎是一個額外的負擔…

透過增加電子元件以提供電路保護,來防止內部和外部故障是吃力不討好的設計工作之一,這類似購買保險。儘管遵循監管要求和最佳實踐是不錯的出發點,但當不需要時,它似乎是一個額外的負擔;而當確實需要時,又很難知道保護是否足夠到位。需要保護的最常見故障類別包括由內部或外部短路、浪湧和元件故障引起的各種過壓事件。

共有以下三種基於元件的過壓保護策略:

1.透過一個開關將相關的過電流轉接到地,一旦超過閾值電壓,該開關將變為非常低的阻抗;

2.利用保護線路兩端的電壓鉗位器耗散掉多餘的能量;

3.當超過電壓閾值時,以類似熔斷器的動作斷開受影響的線路。

有許多元件可用於實施這些保護策略。其中有些元件在故障發生時可以充當撬棍(crowbar)和臨時短路線(圖1),有些則充當鉗位器,將瞬態電壓限制在預設限值,直到故障消失(圖2)。請注意,「撬棍」一詞可以追溯到早期的電力系統時代,當時工人們真的會將金屬撬棍放在失控的電源匯流排上以使其短路。

 

圖1:當撬棍保護功能觸發時,它會在受保護的線路和地之間形成一條低阻抗路徑,從而將過電壓浪湧轉接到地。

(來源:Bourns)

 

圖2:與撬棍相比,鉗位則是將過壓浪湧限制在預定值。

(來源:Bourns)

 

在眾多保護選項中,有氣體放電管(GDT)、晶閘管、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和多層壓敏電阻(MLV)、瞬態電壓抑制器(TVS)甚至齊納二極體等等。通常會看到其中幾種元件組合起來使用,以提供完整性保護,並在截長補短的關係中彌補每種元件的既有的缺點。顯然,還有很多故障類型、保護元件類型及其保護方式。

舉例來說,為了提供一種幾乎沒有洩漏電流從而能延長使用壽命的過壓保護解決方案,設計人員通常會採用雙元件佈局。這種混合方法整合了兩個離散元件:串聯的GDT和MOV (圖3),它們有著組合的電壓-時間曲線(圖4)。很顯然,這種雙元件方法需要更多的電路板「空間」,並在物料清單(BOM)中多添加一個元件。

 

圖3:GDT和MOV的串聯使用提供了一種更有效的過壓保護解決方案。

(來源:Bourns)

 

圖4:GDT+MOV混合佈局的回應與時間關係充分展示了它如何整合每個元件的基本回應屬性。

(來源:Bourns)

 

但還有一個更大的問題和複雜性:MOV和GDT區域的電路板佈局通常受限於定義最小爬電距離和電氣間隙的監管要求。間隙是空氣中兩個導電元件之間的最短距離;爬電距離是指兩個導電元件之間沿著固體絕緣材料表面的最短距離。

這些距離將隨著電壓的增加而增加。因此,MOV和GDT元件在實際的電路板佈局時又增加了另一個需要關注和約束的點。

最近,筆者看到一種相對較新的保護元件,它是兩個現有元件的組合,但不光是兩個離散元件的簡單、明顯的合併封裝。Bourns的IsoMOV系列混合保護系列產品中的元件就是將MOV和GDT整合在一個封裝中,能提供與離散MOV和GDT串聯等效的功能(圖5)。

 

圖5:IsoMOV的原理圖符號(右)顯示為兩個元件各自標準符號的合併。

(來源:Bourns)

 

看一下IsoMOV的結構就會發現,它不僅僅是簡單的將MOV和GDT共同封裝在一個共用外殼中,而是將兩者有機的整合在一起,形成了功能上與離散MOV和GDT串聯等效的效果(圖6)。

 

圖6:IsoMOV的物理結構是一種完全不同的混合功能實現。

(來源:Bourns)

 

核心組裝完成後,還需連接引線並塗上環氧樹脂。結果是一個大家熟悉的徑向圓盤型MOV封裝,它僅比類似額定值的傳統元件稍厚且直徑更小。此外,由於採用了專利設計正在申請中的新型金屬氧化物技術,這個IsoMOV元件在相同尺寸下還具有更高的額定電流,而且消除了佔位面積問題和爬電距離/間隙問題。

這種電路保護元件不只是 「兩全其美」,該設計還有其他優勢。MOV故障(是的,它們具有眾所周知的各種故障模式)通常以金屬化區域邊緣的所謂「浪湧孔」為特徵,這通常是由浪湧期間該邊緣的MOV內部溫度升高引起。

當組合產品不僅僅是其組成部分的簡單累加時,它總會讓人感興趣。在這裡,除了明顯節省空間外,這種組合還能提供性能和法規遵從方面的優勢。退一步說,想想能夠「開箱即用」(實際上,這裡是「入箱即用」),並查看內部結構細節後發現,這種保護元件確實具有實實在在的好處。

我們經常看到透過合併封裝來實現更高水準的功能整合,從而形成更小的外殼或晶片,這通常是一件好事,但有時在性能折衷方面也有不利之處。但是,這裡的情況似乎並非如此。事實上,這是我近年來第二次看到小型非IC元件出現這種情況。有些供應商已經在一個外殼中設計了可充電電池和超級電容器的組合,它們提供的可不光是更小的共同封裝,而是對元件構造和物理特性的根本性再思考。其結果遠遠優於兩個單獨的能量儲存元件之和,實現了「一加一大於四」的效果!

(參考原文:Circuit protection: When one plus one is more than four,by Bill Schweber)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌202210月號

 

 

 

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