協(xié)同電路保護方案使通信設備免受損害

　　在通信設備的正常使用過程中，由于惡劣的電磁環(huán)境可能造成個別元器件的損壞，導致通信設備不能正常工作，造成重大損失。為了確保通信設備的安全，通常在通信設備中設計有關(guān)保護電路。常用的保護器件按工作原理劃分，主要有過電壓保護、過電流保護、過溫度保護和EMI保護等幾大類。根據(jù)實現(xiàn)保護的不同方法，相同功能的保護器件也有不同種類可供選用。在實際運用中，為了確保滿足設備的保護和可靠性要求，保護電路往往采用多重協(xié)同保護(多級保護)。

　　通信設備電路的保護

　　在通信設備的正常使用過程中，交流電網(wǎng)和通信線路上會出現(xiàn)雷擊浪涌電壓、火花放電等EMI瞬態(tài)干擾信號。瞬態(tài)干擾的特點是作用時間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。當瞬態(tài)電壓疊加在控制系統(tǒng)的輸入電壓上，使輸入通信設備系統(tǒng)的電壓超過系統(tǒng)內(nèi)部器件的極限電壓時，便會損壞通信設備的電源;當瞬態(tài)電壓疊加在通信線路上時，瞬間高壓便會損壞信號環(huán)路中傳輸、控制的元器件。另外，由于電力線搭碰、感應，通信電路上有可能出現(xiàn)持續(xù)的過電壓、過電流，如不加保護也有可能損壞通信電路或器件，甚至造成火災和生命財產(chǎn)損失。因此，必須采用恰當?shù)谋Ｗo措施，對通信系統(tǒng)及設備進行防護。

　　通信設備電路常用保護器件與工作特性

　　過電壓保護器件通常有高阻抗特性，當電壓達到它的過電壓保護值以上時，就轉(zhuǎn)換到低阻抗;一旦過電壓故障消失，保護器件會返回到高電阻狀態(tài)，是一種可恢復器件。常用的過電壓保護器件有SiBar(半導體晶閘管浪涌保護器件)、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)、MOV(金屬氧化物可變電阻)、和GDT(氣體放電管)等。

　　相反，過電流保護元件通常有低阻抗特性，當通過它的電流達到過電流保護值以上時，轉(zhuǎn)換到高阻抗。常用的過電流保護器件有PPTC(聚合物正溫度系數(shù))、CPTC(陶瓷正溫度系數(shù))等，它們的共同特點是可重置，而不像保險絲為一次性的不可恢復器件。可恢復過電流保護元件的優(yōu)勢很明顯，一旦過電流故障消失，保護器件冷卻后會返回到低電阻狀態(tài)。

　　1 過電壓保護器件SiBar

　　過電壓保護器件按工作原理可以分為鉗位型過電壓保護器件和折返式過電壓保護器件，常用的鉗位型過電壓保護器件有MOV(Metal oxide Varistors)和二極管，而折返式過電壓保護器件有GDT和可控硅過電壓保護器件。折返式過電壓保護器件的I/V曲線如圖1所示，它較鉗位型過電壓保護器件具有體積小和功耗低的優(yōu)點。SiBar就是一種基于N型半導體的折返式可控硅浪涌電壓過電壓保護器件(TSP)。

　　圖1 折返式過電壓保護器件的I/V曲線

　　SiBar在浪涌電壓超過擊穿電壓時起分流的作用。當浪涌電壓超過擊穿電壓時，SiBar工作在保護特性曲線的低阻區(qū)，形成一個低阻通路，有效地降低過電壓。SiBar器件保持低阻狀態(tài)直到流過該器件的電流下降到低于保持電流。在過電壓事件過去之后，SiBar器件自動恢復到高阻狀態(tài)。

　　2 瞬態(tài)電壓抑制器

　?、?瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理

　　瞬態(tài)電壓抑制器的電路符號與普通穩(wěn)壓二極管相同，縮寫為TVS。它的正向特性與普通二極管相同，反向特性與典型的PN結(jié)雪崩器件相同。在浪涌電壓的作用下，瞬態(tài)電壓抑制器兩電極之間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VFM上升到擊穿電壓VBR，產(chǎn)生擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過瞬態(tài)電壓抑制器的電流將達到峰值脈沖電流IPP，在其兩端的電壓被鉗位到最大鉗位電壓VC以下。然后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，瞬態(tài)電壓抑制器兩電極間電壓也不斷下降，最后恢復到初態(tài)，這就是瞬態(tài)電壓抑制器抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的工作過程。

　　目前，瞬態(tài)電壓抑制器已被廣泛應用于計算機系統(tǒng)、通信設備、交/直流電源、汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表(電度表)、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數(shù)字照相機的保護、共模/差模保護、RF耦合/IC驅(qū)動接收保護等各個領域。

　　瞬態(tài)電壓抑制器主要有反向斷態(tài)電壓(截止電壓)VRWM與反向漏電流IR、擊穿電壓VBR、脈沖峰值電流IPP、最大鉗位電壓VC、脈沖峰值功率Pm、穩(wěn)態(tài)功率PO和極間電容Cj等參數(shù)。

　?、?瞬態(tài)電壓抑制器的分類

　　瞬態(tài)電壓抑制器按極性可以分為單極性和雙極性兩種，單向瞬態(tài)電壓抑制器的特性與穩(wěn)壓二極管相似，雙向瞬態(tài)電壓抑制器的特性相當于兩個穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)。

　　按用途，瞬態(tài)電壓抑制器可以分為通用型瞬態(tài)電壓抑制器和特殊電路適用的專用型瞬態(tài)電壓抑制器。如果按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分，瞬態(tài)電壓抑制器又可以分為軸向引線、雙列直插瞬態(tài)電壓抑制器陣列(適用多線保護)、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

　　3 金屬氧化物可變電阻

　　金屬氧化物可變電阻(MOV)是一種陶瓷元件，其應用越來越廣泛。它是由氧化鋅微粒組成的多晶半導體過電壓抑制器件，典型應用產(chǎn)品是氧化鋅壓敏電阻。利用其良好的伏安特性可以將沖擊電壓限制在一定范圍內(nèi)。其主要技術(shù)參數(shù)有通電流能力、沖擊擊穿電壓和殘電壓。

　　金屬氧化物可變電阻能承受較大的電流沖擊，具有較快的響應速度，可達到毫微秒級，價格較便宜。金屬氧化物可變電阻的不足之處在于它的體積和電容值較大，存在一定的漏電流，如果質(zhì)量不好，漏電流將逐漸增大甚至損壞;同時金屬氧化物可變電阻的殘電壓較高，鉗位效果較差。沖擊電流越大，鉗位電壓就越高，反復沖擊耐受能力差，它多次受沖擊后工作特性變壞，會影響到其使用效果和工作壽命。

　　4 氣體放電管

　　氣體放電管(GDT)是把一對放電間隙封裝在充以放電介質(zhì)(如惰性氣體)的玻璃或陶瓷中的器件。常用氣體放電管的沖擊擊穿電壓在一百多伏到幾千伏，一旦沖擊過電壓達到?jīng)_擊擊穿電壓時，氣體放電管內(nèi)的氣體電離，其由原來的開路狀態(tài)變?yōu)榻贫搪窢顟B(tài)。

　　由于氣體放電管可以容納較高的脈沖電流、電容較低，但脈沖電壓擊穿滯后較多，一般用氣體放電管作為第一級保護元件，常用的氣體放電管的外形如圖2所示。

　　圖2 常用氣體放電管的外形圖

　　5 正溫度系數(shù)(PTC)電阻器

　　實用中，正溫度系數(shù)(PTC)電阻器可用于過電流/過溫度保護的應用場合，是一種限電流固態(tài)元件。PTC電阻器在正常溫度下呈現(xiàn)歐姆特性，當超過一個特定溫度以后，電阻值急劇上升104～106倍。當故障排除之后，PTC電阻器能自動恢復到低電阻狀態(tài)，重新接通電路，因此使用中不需要維護。使用中，PTC元件和被保護電路串聯(lián)連接，當電路中的電流迅速增加時，PTC的電阻迅速增加，從而限制電路過電流，實現(xiàn)對被保護對象的保護，這一過程被稱之為PTC的“動作”。

　　PTC按材料構(gòu)成又可以分為PPTC和CPTC兩大類，PPTC為聚合物正溫度系數(shù)電阻器，CPTC為陶瓷正溫度系數(shù)電阻器。PPTC器件是一種較新的技術(shù)，它克服了陶瓷器件的缺點，具有體積小、電容小、動作快的特點。

　　PolySwitch(PSW)保護元件(PPTC)是由聚合物原料摻合導電顆粒制成的，如圖3所示。在正常溫度下，原材料結(jié)晶狀結(jié)構(gòu)將導體顆粒緊密束縛在一起，形成多個低電阻通路。當大電流通過或周圍環(huán)境溫度升高導致PPTC元件的溫度高于動作溫度時，聚合物中的晶體融化而變成無規(guī)律排列，體積微膨脹、低電阻通路斷開，導致電阻迅速增加。

　　圖3 PolySwitch(PSW)聚合物PTC的結(jié)構(gòu)圖

　　PolySwitch的工作原理如圖4所示。圖4中的點1溫度較低，產(chǎn)生的熱和散發(fā)的熱達到平衡。但是，當電路中流過較大的電流或產(chǎn)生過多的熱時，使PolySwitch元件的溫度升高，不過，若電流或環(huán)境溫度增加不顯著，PolySwitch元件產(chǎn)生的熱可以散發(fā)到外部環(huán)境中，從而在點2達到平衡。當電流或環(huán)境溫度再增加時，PolySwitch元件的溫度會再達到一個更高的溫度，如圖3中的點3，此時如果電流或環(huán)境溫度再進一步增加，PolySwitch元件產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)出去的熱量，使得其溫度迅速增高。在這個階段，很小的溫度變化就會產(chǎn)生很大的阻值變化，這一現(xiàn)象可從圖3中的點3到點4之間的變化看出。這時PolySwitch元件處于保護動作狀態(tài)，其阻值升高限制了通過電路中的電流，從而實現(xiàn)過電流保護功能。當溫度回降到正常溫度時，PolySwitch元件又回到低電阻狀態(tài)。

　　圖4 PPTC的溫度與阻值變化曲線

　　圖5表示PPTC元件過電流/過溫度后，當過電流/過溫度故障消除后，PPTC元件阻值的恢復曲線?？梢娂词谷舾尚r后，PPTC元件的阻值仍然大于初始阻值，電阻的減降將需持續(xù)一段較長的時間，最終電阻才會接近初始電阻，這個時間可能是幾天、幾個月或更久。但是，在實際應用中，要使PPTC元件的阻值恢復到初始值是不現(xiàn)實的。所以在選用PPTC元件時，在決定PPTC的保持電流時就應考慮PPTC元件動作后并恢復1小時后的初始電阻RImax這個參數(shù)。

　　圖5 PPTC的阻值恢復曲線

　　6 過電流/過電壓綜合保護模組

　　在以往，單個元件一直是電路保護中的主角，但是隨著電子產(chǎn)品技術(shù)和需求的發(fā)展，融合兩種或更多技術(shù)、材料的綜合保護器件或模組將會越來越多。

　　PolyZen產(chǎn)品是PPTC和半導體材料融合的一個成功案例。PolyZen微型集成模塊元件內(nèi)置了一個穩(wěn)壓齊納二極管和一個非線性PPTC電阻層，為采用圓桶形插口作為直流電源輸入的便攜設備提供過電流/過電壓綜合保護，避免由于感應電壓尖峰、電壓瞬變、不正確電源和極性接反所導致的損壞現(xiàn)象。美國泰科電子公司瑞侃電路保護產(chǎn)品部的PolyZen微型集成保護模塊可用于硬盤驅(qū)動器、便攜電子設備、計算機和汽車電子等應用場合。它具有耐受能量大、電壓鉗位穩(wěn)定度高的特點，可用于不正確的電源電壓、電壓的瞬態(tài)過高和極性反轉(zhuǎn)保護的應用場合;同時具有過熱、過流保護功能。

　　與PolyZen類似，融合PPTC和MOV(金屬氧化物壓敏電阻)器件的2Pro單片過電壓/過電流保護器，具有體積小、電力線搭碰/感應測試后自動恢復和有助于防護電路過電壓的優(yōu)點?？捎糜赩oIP網(wǎng)關(guān)、無線電話、傳真機、機頂盒、低成本電信系統(tǒng)和客戶端設備的過電壓/過電流保護應用場合。

　　通信設備電路保護實例

　　采用GDT和SiBar的電信設備兩級協(xié)同保護電路工作原理圖如圖6所示。在圖6所示的保護電路中，首先采用了GDT作為第一級過電壓保護，將來自電信線的過電壓干擾信號加以抑制，這些干擾信號可能是雷電干擾信號或由大功率設備開關(guān)機而引入的開關(guān)機浪涌高幅值脈沖干擾信號。由于GDT的響應速度相對較慢，為了提高保護效果，又采用了響應速度很快的折返式可控硅浪涌電壓過電壓保護器件SiBar作為第二級過電壓保護。兩級過電壓器件間的線電阻提供耦合，與兩級過電壓器件一起構(gòu)成兩級協(xié)同過電壓保護，從而確保被保護電信設備免受雷擊浪涌侵害。

　　圖6 采用GDT和SiBar的電信設備雙重協(xié)同保護電路工作原理圖

　　在圖7所示的電信設備三重協(xié)同保護電路中，采用了GDT作為第一級過電壓保護，其后串聯(lián)了PolySwitch過電流保護器件，第二級過電壓保護則采用了響應速度很快的折返式可控硅浪涌電壓過電壓保護器件SiBar。采用三重協(xié)同過電壓/過電流保護，既可以確保被保護電信設備免受雷擊浪涌侵害，又可以保護電信設備因電力線感應或電力線搭碰造成的損壞。

　　圖7 采用GDT、PolySwitch和SiBar的電信設備三重協(xié)同保護電路工作原理圖

　　很多設備都可以使用該種保護電路。例如，為傳真機供電的220V電源及接入傳真機的電話線應有避雷裝置，可以采用圖6所示的兩級過電壓協(xié)同保護電路;如果對傳真機的保護功能要求更高，則可以采用圖7所示的三級過電壓/過電流協(xié)同保護電路，在有雷電進入的情況下可以避雷，確保傳真機可靠工作。

　　如果在圖6、圖7的基礎上再添加一級欠電壓保護功能，則可以在市電電壓下，實現(xiàn)傳真機的過電壓和欠電壓保護。當傳真機的供電超過260V或低于170V時自動斷開供電電源，完成過電壓和欠電壓保護，這對那些供電電壓不穩(wěn)定地區(qū)的傳真機使用有很大的好處。

　　再如，移動通信基站一般都安裝在建筑物上或較高位置上，位于很容易受到嚴重雷擊和浪涌電流損壞的戶外環(huán)境中。浪涌電流會導致基站無法正常工作，更為嚴重的是，如果對浪涌電流不加以阻止，任其到達手機基站電子系統(tǒng)的線路和電子部件內(nèi)部，將有可能損壞基站設備，嚴重時有可能導致火災危險。對于這種應用場合，不但需要保護基站的信號線路，還要保護基站的電源、在配電箱內(nèi)安裝防電浪涌保護裝置。如果有必要，還應當增加過流、過熱和EMI等保護，進一步完善保護功能。

　　結(jié)語

　　由于使用環(huán)境的苛刻，以及對系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的要求，電信系統(tǒng)需要采用多重保護。系統(tǒng)中的設備應當根據(jù)具體的應用環(huán)境和設備的特點選用適當?shù)谋Ｗo元件構(gòu)成滿足系統(tǒng)保護要求的解決方案。依據(jù)相應的標準設計合理的保護電路、選用品質(zhì)優(yōu)良的適用元件，是保證通信設備安全的牢固基石。