【導(dǎo)讀】通過增加電子元器件以提供電路保護(hù)，來防止內(nèi)部和外部故障是吃力不討好的設(shè)計(jì)工作之一，這類似于購(gòu)買保險(xiǎn)。盡管遵循監(jiān)管要求和最佳實(shí)踐是不錯(cuò)的出發(fā)點(diǎn)，但當(dāng)不需要時(shí)，它似乎是一個(gè)額外的負(fù)擔(dān);而當(dāng)確實(shí)需要時(shí)，又很難知道保護(hù)是否足夠到位。需要保護(hù)的最常見故障類別包括由內(nèi)部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各種過壓事件。
通過增加電子元器件以提供電路保護(hù)，來防止內(nèi)部和外部故障是吃力不討好的設(shè)計(jì)工作之一，這類似于購(gòu)買保險(xiǎn)。盡管遵循監(jiān)管要求和最佳實(shí)踐是不錯(cuò)的出發(fā)點(diǎn)，但當(dāng)不需要時(shí)，它似乎是一個(gè)額外的負(fù)擔(dān);而當(dāng)確實(shí)需要時(shí)，又很難知道保護(hù)是否足夠到位。需要保護(hù)的最常見故障類別包括由內(nèi)部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各種過壓事件。
共有以下三種基于元器件的過壓保護(hù)策略：
1.通過一個(gè)開關(guān)將相關(guān)的過電流轉(zhuǎn)接到地，一旦超過閾值電壓，該開關(guān)將變?yōu)榉浅５偷淖杩?
2.通過保護(hù)線路兩端的電壓鉗位器耗散掉多余的能量;
3.當(dāng)超過電壓閾值時(shí)，以類似熔斷器的動(dòng)作斷開受影響的線路。
有許多元器件可用于實(shí)施這些保護(hù)策略。其中有些元器件在故障發(fā)生時(shí)可以充當(dāng)撬棍和臨時(shí)短路線(圖1)，有些則充當(dāng)鉗位器，將瞬態(tài)電壓限制在預(yù)設(shè)限值，直到故障消失(圖2)。請(qǐng)注意，“撬棍”一詞可以追溯到早期的電力系統(tǒng)時(shí)代，當(dāng)時(shí)工人們真的會(huì)將金屬撬棍放在失控的電源總線上以使其短路。
圖1：當(dāng)撬棍保護(hù)功能觸發(fā)時(shí)，它會(huì)在受保護(hù)的線路和地之間形成一條低阻抗路徑，從而將過電壓浪涌轉(zhuǎn)接到地。本文資料來源：Bourns
圖2：與撬棍相比，鉗位則是將過壓浪涌限制在預(yù)定值。
在眾多保護(hù)選項(xiàng)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(tài)電壓抑制器(TVS)甚至齊納二極管等等。通常會(huì)看到其中幾種器件組合起來使用，以提供完整性保護(hù)，并在取長(zhǎng)補(bǔ)短的關(guān)系中彌補(bǔ)每種器件的固有缺點(diǎn)。顯然，還有很多故障類型、保護(hù)元器件類型及其保護(hù)方式。
舉例來說，為了提供一種幾乎沒有泄漏電流從而能延長(zhǎng)使用壽命的過壓保護(hù)解決方案，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)采用雙元器件布局。這種混合方法整合了兩個(gè)分立元器件：串聯(lián)的GDT和MOV(圖3)，它們有著組合的電壓-時(shí)間曲線(圖4)。很顯然，這種雙元器件方法需要更多的電路板“空間”，并在物料清單(BOM)中多添加一個(gè)元器件。
圖3：GDT和MOV的串聯(lián)使用提供了一種更有效的過壓保護(hù)解決方案。
圖4：GDT+MOV混合布局的響應(yīng)與時(shí)間關(guān)系充分展示了它如何整合每個(gè)器件的基本響應(yīng)屬性。
但還有一個(gè)更大的問題和復(fù)雜性：MOV和GDT區(qū)域的電路板布局通常受制于定義最小爬電距離和電氣間隙的監(jiān)管要求。間隙是空氣中兩個(gè)導(dǎo)電部件之間的最短距離;爬電距離是指兩個(gè)導(dǎo)電部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元器件在實(shí)際的電路板布局時(shí)又增加了另一個(gè)需要關(guān)注和約束的點(diǎn)。
最近，看到一種相對(duì)較新的保護(hù)器件，它是兩個(gè)現(xiàn)有器件的組合，但不光是兩個(gè)分立元器件的簡(jiǎn)單、明顯的合并封裝。Bourns公司的IsoMOV系列混合保護(hù)系列產(chǎn)品中的器件就是將MOV和GDT整合在一個(gè)封裝中，能提供與分立MOV和GDT串聯(lián)等效的功能(圖5)。
圖5：IsoMOV的原理圖符號(hào)(右)顯示為兩個(gè)器件各自標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)的合并。
看一下IsoMOV的結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它不僅僅是簡(jiǎn)單的將MOV和GDT共同封裝在一個(gè)共享外殼中，而是將兩者有機(jī)的整合在一起，形成了功能上與分立MOV和GDT串聯(lián)等效的效果(圖6)。
圖6：IsoMOV的物理結(jié)構(gòu)是一種完全不同的混合功能實(shí)現(xiàn)。
內(nèi)核組裝完成后，還需連接引線并涂上環(huán)氧樹脂。結(jié)果是一個(gè)大家熟悉的徑向圓盤型MOV封裝，它僅比類似額定值的傳統(tǒng)器件稍厚且直徑更小(圖7)。此外，由于采用了專利設(shè)計(jì)正在申請(qǐng)中的新型金屬氧化物技術(shù)，這個(gè)IsoMOV元器件在相同尺寸下還具有更高的額定電流，而且消除了占位面積問題和爬電距離/間隙問題。
圖7：IsoMOV的徑向引線盤封裝看起來像標(biāo)準(zhǔn)MOV，但它比單個(gè)等效的MOV體積更小，額定電流更高。
這種電路保護(hù)器件不僅僅是“兩全其美”，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)還有其他優(yōu)勢(shì)。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(qū)域邊緣的所謂“浪涌孔”為特征，這通常是由浪涌期間該邊緣的MOV內(nèi)部溫度升高引起的。Bourns公司表示，這項(xiàng)技術(shù)旨在大幅減少或消除這種故障模式。
當(dāng)組合產(chǎn)品不僅僅是其組成部分的簡(jiǎn)單累加時(shí)，它總會(huì)讓人感興趣。在這里，除了明顯節(jié)省空間外，這種組合還能提供性能和法規(guī)遵從方面的優(yōu)勢(shì)。退后一步說，想想能夠“開箱即用”(實(shí)際上，這里是“入箱即用”)，并查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)后發(fā)現(xiàn)，這種保護(hù)器件確實(shí)具有實(shí)實(shí)在在的好處。
我們經(jīng)常看到通過合并封裝來實(shí)現(xiàn)更高水平的功能集成，從而形成更小的外殼或芯片，這通常是一件好事，但有時(shí)在性能折衷方面也有不利之處。但是，這里的情況似乎并非如此。事實(shí)上，這是我近年來第二次看到小型非IC元器件出現(xiàn)這種情況。有些供應(yīng)商已經(jīng)在一個(gè)外殼中設(shè)計(jì)了可充電電池和超級(jí)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(duì)器件構(gòu)造和物理特性的根本性再思考。其結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于兩個(gè)單獨(dú)的能量存儲(chǔ)元器件之和，實(shí)現(xiàn)了“一加一大于四”的效果!
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