DQZHAN技術(shù)訊：電源設(shè)計經(jīng)典案例
在電源設(shè)計過程中，工程師們會遇到一系列令人頭疼的問題。如：雷暴天氣，使不少電子設(shè)備受損，經(jīng)歷了雷暴損害電子設(shè)備之害，很多人為防雷防浪涌保護(hù)方案發(fā)愁;電源系統(tǒng)過電壓保護(hù)已成為熱門話題。工程師應(yīng)該如何有效進(jìn)行電源系統(tǒng)的過電壓保護(hù)?為使LED照明燈具更長的使用壽命，TE是如何考量在消除因電氣環(huán)境促使的現(xiàn)場故障中考慮瞬態(tài)電壓保護(hù)?新能源汽車作為將來一大趨勢，電源管理也顯得非常重要，電動車系統(tǒng)電源電路保護(hù)該注意些什么?
作為工程師，我們該從哪些方面來解決以上問題呢?TE電路保護(hù)部戴泰初先生為我們**解讀防雷防浪涌方案、電源系統(tǒng)的過電壓保護(hù)策略、瞬態(tài)電壓保護(hù)延長LED照明燈壽命、電動車系統(tǒng)電源電路保護(hù)方案等。
TE在安防電子的防雷策略及案例
電子系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)常會受到外界瞬時過電壓干擾，這會影響用戶設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時甚至?xí)斐稍O(shè)備損壞。雷擊就是一種很常見的過電壓現(xiàn)象，全球每天大約有8百萬次雷擊發(fā)生。
雷暴天氣，使不少電子設(shè)備受損，經(jīng)歷了雷暴損害電子設(shè)備之害，很多人為防雷防浪涌保護(hù)方案發(fā)愁。*常見的電子設(shè)備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發(fā)生時在電源中感應(yīng)的電流浪涌引起的，所以我們這里討論的雷擊主要指的是間接感應(yīng)雷。
由于安防設(shè)備通常是安裝在室外露天環(huán)境中，它會極易受到雷擊，會嚴(yán)重危害安防系統(tǒng)的**工作，所以安防系統(tǒng)一定需要一個完善的防雷防浪涌方案。
在安防設(shè)備上的RS-485、Ethernet、POE等端口，TE公司都有一系列完善的雷擊保護(hù)方案。RJ45/POE端口廣泛用于安防，視頻監(jiān)控以及智能電網(wǎng)等工業(yè)系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，視頻傳輸，流量控制，以及通過總線供電的實(shí)現(xiàn)。由于安防以太網(wǎng)工作環(huán)境的嚴(yán)苛，對于RJ45/POE端口的電磁兼容的雷擊浪涌防護(hù)必不可少，通常接觸到的客戶對于交換機(jī)的以太網(wǎng)端口的雷擊電流防護(hù)高達(dá)4KV甚至更高的6KV 10/700us 浪涌電流保護(hù)能力。基于如此高的端口浪涌防護(hù)需求，TE基于1000M RJ45/POE端口的典型解決方案如圖1所示，該方案可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)6KV的10/700us浪涌防護(hù)能力。
圖1 TE關(guān)于RJ45/POE端口的解決方案
此外，RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)是安防系統(tǒng)設(shè)備上應(yīng)用*為廣泛的物理層協(xié)議之一。RS-485的主要特點(diǎn)：支持遠(yuǎn)距離傳輸，長達(dá)4000英尺;雙向信號差分傳輸，提高信號的噪音抑制能力，并且允許一條總線上可以掛接多個發(fā)射器和接收器，信號傳輸為寬范圍電平-7V~+12V?；赗S-485電性能參數(shù)，其典型高浪涌防護(hù)等級的解決方案為兩極防護(hù)，其中**級可采用TE電路保護(hù)部門的GTCS25-900M-R05用于旁路大部分的雷擊電流，中間采用TRF250-120起到**級和**級保護(hù)的耦合器件;而**級保護(hù)則可以采用鉗位電壓更為**的TVS或crowbar模式的thyristor，將浪涌電壓殘壓降至*低范圍。圖2為TE應(yīng)用于RS-485端口的典型應(yīng)用解決方案。
工程師該如何進(jìn)行電源系統(tǒng)的過電壓保護(hù)?
在過壓保護(hù)方面，TE電子提供GDT氣體放電管以及綜合保護(hù)元件2Pro和Polyzen產(chǎn)品，以及多級浪涌保護(hù)方案中用于耦合器件的PPTC。下面以TE公司的PolyZen和氣體放電管為例來說明TE在電源系統(tǒng)的過電壓保護(hù)方案。
TE公司的GDT氣體放電管可以并聯(lián)在電源線，電信線，信號線以及數(shù)據(jù)傳輸線等敏感設(shè)備的前端，以保護(hù)它們免受閃電和開關(guān)操作引起的瞬間浪涌電壓的破壞。正常情況下，氣體放電管并不會影響信號的正常工作，在過壓情況下，GDT可以切換到低阻狀態(tài)，使得浪涌能量被旁路到氣體放電管從未保護(hù)敏感設(shè)備。 電源工程師們都知道由于氣體放電管的續(xù)流問題，當(dāng)電源線兩端電壓超過15V電壓時，不能直接并聯(lián)氣體放電管于電源線兩端，這種情況下可以將氣體放電管與壓敏電阻串聯(lián)后接入電路。由于氣體放電管的電阻較壓敏電阻大，所以輸入的電壓幾乎都分配在氣體放電管上，而壓敏電阻的壓降極小，所以平時工作時MOV不存在漏流。但當(dāng)雷擊浪涌侵入時，因MOV的存在也不會使氣體放電管繼續(xù)工作，因此這樣即可避免產(chǎn)生工頻續(xù)流，又可以防止壓敏電阻因漏電流而自爆、老化，而且有保護(hù)器的殘壓低的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然TE公司也在研發(fā)可以直接用于高壓(比如超過15V)系統(tǒng)的氣體放電管。
AC 2Pro器件如何有效保護(hù)LED照明燈?
TE公司也關(guān)注到LED的快速發(fā)展，該公司研發(fā)出來的AC 2Pro器件就是可以有效地幫助LED照明燈在內(nèi)部過流、瞬態(tài)浪涌以及長時間過壓情況下的保護(hù)。AC 2Pro中的PPTC器件可以有效的實(shí)現(xiàn)LED電源管理系統(tǒng)過流保護(hù)，因?yàn)锳C 2Pro中的PPTC 元件與電路串聯(lián)，因而無需額外的過電流保護(hù)，可幫助減少元件數(shù)目并優(yōu)化LED燈驅(qū)動線路板空間。AC 2Pro中的MOV器件可以有效地實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)浪涌保護(hù)，AC 2Pro可以實(shí)現(xiàn)8/20波形 2kV的雷擊浪涌。而且AC 2Pro通過特殊的架構(gòu)集成可恢復(fù)PPTC器件和MOV器件，還能實(shí)現(xiàn)LED電源管理系統(tǒng)過熱以及失中線綜合保護(hù)。在LED交流電源發(fā)生零線丟失或者接觸**時，這時候加在MOV上的電壓不再是220V，而是變成380V交流高壓，在這種情況下，電流會無限止上升，在MOV沒有保護(hù)的情況下，在MOV上面流過的能量很高，MOV極有可能損壞。然而TE的AC 2Pro器件便可以實(shí)現(xiàn)在零線丟失時保護(hù)MOV，由于AC 2Pro?中集成的PPTC元件可以快速的感知MOV的溫度，當(dāng)MOV溫度上升時PPTC的電阻也上升，并且進(jìn)入高電阻狀態(tài)以保護(hù)MOV。
AC 2Pro的**集成配置提供了超越目前用于低電流應(yīng)用以幫助防止熱失控的傳統(tǒng)方案的優(yōu)勢，這些傳統(tǒng)方案包括使用帶保險絲的MOV，它們在熔斷后必須進(jìn)行更換;將分離的PPTC器件和MOV器件相互緊挨放置在電路板上，這會導(dǎo)致熱不穩(wěn)定性和不可靠性;或者使用熱保險絲與MOV相結(jié)合的一次性使用解決方案，在斷開后不可重置。然而，TE公司**的帶有熱耦合組件的AC 2Pro是一個可恢復(fù)的器件，并且通過維持壓敏電阻表面溫度低于150oC來提供穩(wěn)定性。AC 2Pro器件可以幫助LED電源系統(tǒng)制造商滿足IEC60950和IEC60335標(biāo)準(zhǔn)，同時幫助電源系統(tǒng)在滿足IEC61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雷擊測試后仍能正常運(yùn)行。
PolyZen器件是一個聚合物增強(qiáng)型、精密的齊納二極管微組件。它包含了一個耦合至一個PPTC“熱敏開關(guān)”的低電阻、精密的齊納二極管，齊納二極管能夠和內(nèi)部的PPTC過流保護(hù)元件起協(xié)同保護(hù)作用。PolyZen器件所具有的優(yōu)點(diǎn)：首先，由于齊納二級管的存在，它能夠快速地幫助庇護(hù)下行電子元件不受瞬態(tài)過電壓的影響;其次，它通過PPTC動作切斷阻止過電壓和反向偏壓源對自身和電路的破壞。由于PPTC動作切斷的延遲性，使得PolyZen具有延時斷電保護(hù)功能，這可以防止由于電壓或電流毛刺尖峰等因素造成系統(tǒng)瞬態(tài)失電;另外，PPTC動作的模擬性決定PolyZen切斷電源瞬間的電流變化較為平緩，可以*大限度的減少由于電流劇烈變化造成的上行感應(yīng)尖峰電壓;同時新型PolyZen器件具有單一的元件布局和*小的元件尺寸，也有助于幫助在手機(jī)對尺寸要求非常高的場合也能使用。PolyZen器件除了具有瞬態(tài)過電壓的保護(hù)性能之外，它還具有長時間過電壓的保護(hù)性能，過流保護(hù)性能，反向保護(hù)性能等。
新能源汽車大勢所趨，TE MHP器件為電動汽車保駕護(hù)航
新能源汽車無疑會成為汽車將來的發(fā)展方向，TE也非常重視新能源汽車的發(fā)展。對于電動車市場而言，和傳統(tǒng)汽車相比，電力驅(qū)動以及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的*大不同點(diǎn)。而*近美國純電動汽車制造商特斯拉的異軍突起，也引爆了全球電動汽車市場。
特斯拉所采用的電池就是一種鋰電池，而TE公司在電池保護(hù)領(lǐng)域有獨(dú)到的造詣，不僅在小功率的手機(jī)鋰離子電池有完善的保護(hù)方案，而且針對電動汽車的高電壓大電流鋰離子電池也研發(fā)出來了MHP產(chǎn)品。這款MHP器件解決了市場上對高性價比電路保護(hù)器件的需求，可以取代或幫助減少在一些復(fù)雜IC/MOSFET電池保護(hù)設(shè)計中使用的場效應(yīng)放電管和附屬的散熱器的數(shù)量。
這款新型混合保護(hù)器件將雙金屬保護(hù)器與PPTC器件并聯(lián)，提供了可復(fù)位過流保護(hù)，同時利用PPTC元件的低阻抗來幫助抑制雙金屬保護(hù)器在高電流下產(chǎn)生的電弧。在正常工作過程中，由于接觸電阻非常低，所以大部分電流將通過雙金屬片。當(dāng)電池故障情況發(fā)生時比如過流情況下，電池電路中將產(chǎn)生很高的電流，這導(dǎo)致雙金屬片觸點(diǎn)打開，這時電流會通過與雙金屬片并聯(lián)的PPTC，使得PPTC的電阻迅速上升，同時PPTC溫度也會上升對雙金屬片進(jìn)行加熱，使其保持在打開狀態(tài)。直到故障消除以后，MHP器件又可以恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
TE電路保護(hù)部研制出的可回流焊熱保護(hù)器件(RTP)同樣可以用于電動汽車的保護(hù)。這款二級保護(hù)器件是與與汽車功率電子設(shè)計師合作開發(fā)而成的，可滿足汽車電子系統(tǒng)對更強(qiáng)大熱保護(hù)的需求。RTP器件幫助滿足汽車功率電子系統(tǒng)的可靠性要求，如冷卻扇、ABS、轉(zhuǎn)向動力裝置、PTC加熱器。RTP200器件的200℃斷開溫度有助于防止誤保護(hù)，從而提高汽車電子系統(tǒng)可靠性，因?yàn)樵摐囟雀哂诖蟛糠制囯娮诱９ぷ鞯碾娮悠骷恼９ぷ鳒囟确秶?，但低于常見無鉛焊料熔點(diǎn)。所以，當(dāng)周圍的器件在規(guī)定溫度范圍內(nèi)工作時，RTP200器件不會斷開電路，但在旁邊的器件脫焊和形成額外短路的潛在風(fēng)險之前會斷開電路，從而保護(hù)汽車以免造成更大災(zāi)難性事故發(fā)生。
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