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?；谌绱烁叩亩丝诶擞糠雷o(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。基于RS-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)，其中第**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起到第**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)，因為AC 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，因為該溫度高于大部分汽車電子正常工作的電子器件的正常工作溫度范圍，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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電源設(shè)計經(jīng)典案例

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