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  • 随着电子产品对可靠性要求的不断提高和能源资源的日益紧缩,高可靠性和高效节能的电子产品将是未来电子产品发展的一个方向,因此在产品的电源设计上,必须要充分考虑其可靠性能和电源使用效率。
  • PMOS防浪涌抑制电路

    2020-12-25 14:47:03
    PMOS防浪涌抑制电路1.浪涌电流的来源2.防浪涌抑制电路分析2.1 电路原理2.2 影响因素2.2.1 RC参数的影响2.2.2 MOS参数的影响2.3 实际测试波形3. 其他防浪涌电路 1.浪涌电流的来源 为了减小输入电压纹波,常常在电源...

    1.浪涌电流的来源

    为了减小输入电压纹波,常常在电源输入端加上大电容来进行滤波。若电路不加任何处理,往往会上电爆炸,小陶瓷电容还好,因为容量小嘛,但是大电解电容可就gg了。那么为什么会这样呢?
    这是因为上电瞬间电容由于电压不能突变,维持初始值0,这相当于短路,当上电时,输入电压全部加在阻抗很小的线路上,产生浪涌电流。防浪涌抑制电路的作用是抑制上电瞬间输出电容上的大电流。

    2.防浪涌抑制电路分析

    2.1 电路原理

    下图是PMOS防浪涌电路的简化原理图。
    首先说为什么采用PMOS,因为负压开通,可与输入共地,若采用NMOS,可就需要charge bump才能导通了。
    在这里插入图片描述
    其次再来说此电路的原理。
    防浪涌抑制电路的基本原理是利用场效应管的电流放大特性,控制输入电流从0逐渐增加,缓慢的为输出侧电容充电,直至场效应管完全导通,从而避免由于输出侧电容的瞬间短路特性导致产生的大电流。
    工作过程主要分为三个阶段,上电阶段,C1充电阶段,Cin充电阶段。
    1. 上电阶段
    上电瞬间,电容C1短路,PMOS管Q1的SG两端电压为0,Q1不导通,SD两端阻抗无穷大,Cin上无电流。

    2. C1充电阶段
    输入给C1充电,充电时间常数约为R2*C1。随着C1的充电,Q1的SG两端电压逐渐上升,当达到PMOS管的开启电压Vth后,Q1导通。

    3. Cin充电阶段
    随着C1两端电压逐渐升高,Q1逐渐导通,管子上流过的电流逐渐增加,从而给Cin进行充电,充电时间常数为Rsd*Cin,Rsd为Q1导通时的等效电阻。

    当C1两端的电压,达到R1两端在输入的分压时,充电结束。Cin两端的电压达到输入电压时,充电结束。
    以上工作工程可由下图表示。Vc1是C1两端的电压。Vcin是Cin两端的电压,Icin是Cin流过的电流。
    在这里插入图片描述
    我们来关注下电流的波形,为什么会这样?从0增加到最大,斜率先增大,后减小,而后电流又快速下降。
    我试图想从公式上推导,发现高阶微分方程太难解出了,还是感性的说吧。
    PMOS上的电流其实主要与两条曲线有关,一个是mos的转移特性曲线,Vsg越大,-Id越大,那么电容充电电流的波形与转移特性一致,另一方面若不考虑mos阻抗的变化,当作常数R,那么随着电容电压增加,充电电流是越来越小的。当两者达到一个平衡后,出现最大电流。不过电路中有寄生参数,应该不可能让ic的电流不可导,所以在极值点是平滑过渡的。
    在这里插入图片描述

    2.2 影响因素

    2.2.1 RC参数的影响

    要想电容充电电流小,充电慢,最简单的来说就是增大时间常数,包括mos管你都可以当作阻抗来考虑,最开始阻抗无穷大,完全导通阻抗几乎为0.
    所以可以通过调节R2,C1可控制mos开启电压的上升速度,从而控制电流。当然在调节R2时,需同步调节R1,以确保电阻足够的功率降额或者足够的开启电压。

    2.2.2 MOS参数的影响

    实际上,PMOS参数的差异也会影响浪涌电流,比如转移特性和Vth。
    1)转移特性的影响
    不同的转移特性会导致相同的VSG下,导通电流的不同,如下图所示。
    在这里插入图片描述
    2)Vth的影响
    不同的Vth会导致MOS导通时电流的上升速率不同。假设MOS的电流放大倍数相同,即转移特性曲线中斜率相同,Vth不同,导致相同VSG下,导通电流不同,Vth越小,导通电流越大。
    在这里插入图片描述
    MOS导通电流越大,Cin充电电流越大。而Cin总电荷量是一定的,由Q=CU=It可知,电流大,充电时间短,峰值电流大,而电流小,充电时间长,峰值电流小。
    在这里插入图片描述

    2.3 实际测试波形

    结合实际浪涌电流波形进行分析。上电一段时间后,回路电流快速上升,等效输入电容充电,电流到达峰值后,由于电容电压上升到一定值,充电电流减小,而后后级电路启动,由于带载,电容电压被拉低,充电电流又会上升后回落,直到充电结束。图中充电结束后的电流震荡,可能跟后级电路有关,需结合实际进行再分析。
    在这里插入图片描述
    根据前文分析,在电路参数不变的情况下,不同板卡测试结果不同,可能是由于MOS管差异导致,而MOS管的差异在实际应用中很难保证,所以建议调整C1,R2,R1,如增大C1或R2,R1,可减小浪涌电流。由于整个电路启动时间的要求,RC不能太大,浪涌电流时间一般保证在2ms左右。

    3. 其他防浪涌电路

    1)NTC防浪涌电路
    NTC:负温度系数的热敏电阻,温度越高,电阻越小。
    直接将NTC与大电容串联,上电时,电阻大,充电慢,上电完成电阻小,减小损耗。
    在这里插入图片描述
    但存在的问题是限制上电浪涌电流性能受环境温度和NTC的初始温度影响,在环境温度较高或在上电时间间隔很短时,NTC起不到限制上电浪涌电流的作用,
    2)PTC+继电器防浪涌电路
    PTC:正温度系数的热敏电阻,温度越高,电阻越大。
    上电时,电阻大,充电慢,随着电阻温度上升,PTC断开,用继电器代替,可减小电路损耗。

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    雷电压/电流的特性

    1.2/50uS雷电压脉冲波形(IEC61000-4-5)

    1.2/50uS雷电压脉冲波形(IEC61000-4-5)

    雷击浪涌防护器件各自的优缺点

    • 气体放电管
    • 半导体放电管
    • 压敏电阻
    • TVS
    • 防雷模块(SPD)

    气体放电管

    伏安特性

    应用中存在的问题

    优缺点

    半导体放电管

    伏安特性

    优缺点

    压敏电阻

    伏安特性

    优缺点

    瞬态电压抑制器(TVS)

    伏安特性

    优缺点

    几种保护器件的比较

    防雷电路设计

    三级保护电路

    典型电路分析

    典型电路分析

    单相交流电源的两级保护电路

    信号接口保护电路

    防雷保护器件布线注意

    减小寄生电感

    PCB板上防雷器件的布局

    转自:https://mp.weixin.qq.com/s/zRLd6AjbfYOAmCdc0IaxJQ

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  • 吸收浪涌电流可从几十到几千安培,反应速度快, 无极性,无续流,峰值电流承受能力较大,价格低。 b)缺点:钳位电压较高,一般可以达到工作电 压的 2~3 倍;而且,随着受到浪涌冲击次数的增加, 漏电流增加;另外...

    一 压敏电阻

    压敏电阻的特点:
    a)优点:电压范围很宽,可从几伏到几千伏; 吸收浪涌电流可从几十到几千安培,反应速度快, 无极性,无续流,峰值电流承受能力较大,价格低。
    b)缺点:钳位电压较高,一般可以达到工作电 压的 2~3 倍;而且,随着受到浪涌冲击次数的增加, 漏电流增加;另外,响应时间较长,寄生电容较大。
    c)适用场合:直流电源线、低频信号线,或者 与气体放电管串联起来用在交流电源线上。

    压敏电阻的选择:
    a)从抑制瞬变干扰的角度出发,压敏电压要尽 量降低以接近被保护电路的工作电压;
    从提高元件 寿命来看,又要拉开两者差距。一般折衷的选取方 案为:对交流工作电路,压敏电压值为工作电压的2.2 倍;对直流工作电路,压敏电压值为工作电压的 1.5 倍。
    b)通流量的选取:在实际应用中,压敏电阻所 吸收的最大浪涌电流应小于它的最大通流量。对同 一应用场合,当最大通流量增加一倍,压敏电阻的 寿命也同步增加一倍。

    二 瞬态抑制二极管-TVS管

    学习资料:TVS防护电路的典型应用

    TVS 为电压箝位型工作方式,亚纳秒级的响应 速度。
    TVS 有多种封装方式,可满足不同场合的需 要。
    当 TVS 上的电压超过一定的幅度时,器件迅速 导通,通过 PN 结反向过压雪崩击穿将浪涌能量泄放掉。由于这类器件导通后阻抗很小,因此它的箝位电压很平坦,并且很接近工作电压。

    特点
    a)优点:响应时间短,漏电流小,击穿电压偏 差小,箝位电压低(相对于工作电压),动作精度 高,无跟随电流(续流),体积小,每次经受瞬变电 压后其性能不会下降,可靠性高。
    b)缺点:由于所有功率都耗散在二极管的 PN 结上,因此它所承受的功率值较小,允许流过的电 流较小。一般的 TVS 器件的寄生电容较大,如在高 速数据线上使用,要用特制的低电容器件,但是低 电容器件的额定功率往往较小。
    c)适用场合:浪涌能量较小的场合。如果浪涌 能量较大,要与其它大功率浪涌抑制器件一同使用, 则把它作为后级防护。

    硅瞬变电压吸收二极管的选择
    a)最大击穿电压 Vbr(max) :小于器件最大允许安全电压。
    最小击穿电压Vbr(min):大于器件工作电压;
    b)最大反向工作电压 VRWM:应不低于电路的最大工作电压,一般略高于电路的工作电压。 (保证正常工作的时候没有漏电流)
    c)TVS 额定的最大脉冲功率必须大于电路中出 现的最大瞬态浪涌功率。
    d)对小电流负载的保护,可在二极管之前串接 适当的限流电阻,从而可选用小的峰值吸收功率的 TVS 来担任这一功能。

    (1)Vbr:大于正常工作电压,小于极限承受电压;
    (2)Vrwm:最大反向工作电压应当不大于极限工作电压。

    1.选型:对于RS422/RS485接口

    RS422/RS485通信电气特性,正常工作电压:-6V-+6V(无负载条件下) ,-2V-+2V(有负载条件下)。
    芯片极限工作电压:a)选用的RS485芯片极限电压:-7.5V~12.5V;b)选用的RS422芯片的极限电压-8V-12.5V。

    共模TVS管:选择TVS二极管厂家为扬州杨杰,型号为SMCJ6.0CA,Vbr(min)=6.67V,Vbr(max)=7.37V,Vrwm=6.0V。
    差模TVS管:选择TVS二极管厂家为扬州杨杰,型号为SMCJ13CAQ,Vbr(min)=14.4V,Vbr(max)=15.9V,Vrwm=13.0V。

    2.选型:对于CAN接口

    CAN通信电气特性:根据ISO11898和ISO11519不同通信速率下的物理层电气特性可知,正常工作电压CAN_H(max)=5V,CAN_L(max)=2.25V,C_DIFF(max)=3.0V。
    CAN接口芯片的极限电压为-40V-+40V。

    共模/差模TVS管:选择TVS二极管厂家为扬州杨杰,型号为SMCJ6.0CA,Vbr(min)=6.67V,Vbr(max)=7.37V,Vrwm=6.0V。

    3.选型:对于1553b接口

    (1)工作电压:
    1553b通信电气特性:根据《1573总线收发器datasheet》可知,
    接收器:输入电压max 低于发送器电压;
    发送器:±5V;

    由于电气信号从总线收发器出来后进入隔离变压器,隔离变压器DB2725的匝数比1:1.79,此时信号电压为
    接收器:输入电压max 低于发送器电压;
    发送器:±9V;(5V*1.79=8.95V);

    【tips】1573总线收发器,输出差分电压为11.6V,
    a)直接耦合方式:变压器匝数比1:2.5,那么变压器输出的差分电压29V。信号进入盒式耦合器,信号正线和负线均串联55ohm电阻,负载端并联两个70ohm电阻(35ohm负载),实际负载的电压为7V;
    b)变压器耦合方式:变压器匝数比1:1.79,那么变压器输出的差分电压为20.764V.信号进入盒式耦合器,又有一级变压器匝数比为1:1.4,信号正线和负线差分电压变为29V,均串联55ohm电阻,同样负载端并联两个70ohm电阻(35ohm负载),实际负载的电压为7V;

    (2)极限耐压:
    发送器:未体现;
    接收器:差模14V(变压器入口端)。

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述
    共模TVS管:选择TVS二极管厂家为扬州杨杰,型号为SMCJ13CAQ,Vbr(min)=14.4V,Vbr(max)=15.9V,Vrwm=13.0V。
    差模TVS管:选择TVS二极管厂家为扬州杨杰,型号为SMCJ22CAQ,Vbr(min)=24.4V,Vbr(max)=26.9V,Vrwm=22V。

    4.选型:对于RS232接口

    RS232通信电气特性:
    逻辑1:-3~-15V ;
    逻辑0:+3~+15V.
    对于目前选用的RS232芯片而言:
    a)承受的极限电压是T_out/GND=±13.2V;R_in/GND=±25V;
    b)正常工作电压是T_out/GND=±5.5V;R_in/GND=±15V

    发送端共模TVS管:厂家为扬州杨杰,型号为SMCJ6.0CA,Vbr(min)=6.67V,Vbr(max)=7.37V,Vrwm=6.0V。
    接收端共模TVS管:厂家为扬州杨杰,型号为SMCJ17CAQ,Vbr(min)=18.9V,Vbr(max)=20.9V,Vrwm=17.0V。

    三 电感的选择

    在这里插入图片描述
    准备选择
    厂家:风华;
    型号:MLCDI2012L1R0M;
    电感值:1uH,
    测试频率:1MHz;
    自谐振频率:60MHz;
    直流电阻:0.14ohm;
    额定电流:950mA

    三 通信端口的浪涌抑制

    在这里插入图片描述
    (1)以上为准备选用的电路拓扑结构,其中第一级的三端放电管改为CAN_H和GND CAN_L和GND之间两个TSS管。
    (2)TVS和电感选型上面已经确定,一级防护的半导体放电管选型在浪涌抑制专题-半导体放电管tss介绍中确定。

    四 地线反弹的抑制

    当并联型的浪涌抑制器发挥作用时,它将浪涌 能量旁路到地线上。由于地线都是有一定阻抗的, 因此当电流流过地线时,地线上会有电压。这种现象一般称为地线反弹。 当浪涌抑制器的地与设备的地不在同一点,设 备的线路实际上没有受到保护,较高的浪涌电压仍然加到了设备的电源线与地之间。
    解决办法:在线路(地)与设备的外壳(地)之间再并联一只浪涌 抑制器,或将两地选择在同一点。 受到保护的设备与其他设备连接在一起,由于 地线反弹的原因,另一台设备就要承受共模电压。 这个共模电压会出现在所有连接设备 1(受保护设 备)与设备 2(未保护设备)的电缆上。解决的方 法是在互连电缆的设备 2 一端安装浪涌抑制器。

    展开全文
  •  压敏电阻(MOV)是以氧化锌(ZnO) 为主要成分的非线性电阻元件,该元件浪涌电流耐量及非线性系数非常大,在阀值电压以下时,电阻非常高,几乎没有电流流过,如果超过该阀值电压,电阻急剧降低,可以泄放大电流。...
  • NTC热敏电阻用作ICL(励磁涌流抑制器),方便、有效地保护电气、电子器件的电路免受励磁涌流的影响。NTC热敏电阻的优点:NTC热敏电阻是一种采用具有负温度系数(NTC)的特殊半导体陶瓷的温度相关电阻。它们在室温下具有...

    在启动电子设备(如开关电源(SMPS)或逆变器)时,设备会通过具有高峰值的瞬时异常电流。它被称为励磁涌流,如果没有保护,它可能破坏半导体器件或对平滑电容器的使用寿命产生有害影响。NTC热敏电阻用作ICL(励磁涌流抑制器),方便、有效地保护电气、电子器件的电路免受励磁涌流的影响。

    NTC热敏电阻的优点:

    NTC热敏电阻是一种采用具有负温度系数(NTC)的特殊半导体陶瓷的温度相关电阻。它们在室温下具有很高的电阻,当它们通电时,自己产生热量,随着温度升高,电阻下降。由于具有这种特性,它们被用作电气和电子设备的电流保护装置,方便、有效地限制异常电流,包括在通电时的励磁涌流。用作电流保护装置的NTC热敏电阻也称为电源热敏电阻。

    固定电阻或NTC热敏电阻可以用来限制励磁涌流。然而,固定电阻总是导致功率损耗和性能下降。NTC热敏电阻以其较高的初始电阻限制励磁涌流,然后由于通电而温度升高,电阻降到室温水平的百分之几,从而达到比使用固定电阻更低的功率损耗。换句话说,用NTC热敏电阻限制励磁涌流的效果比使用具有相同初始功率损耗的固定电阻的效果要大。

    以下是NTC热敏电阻在限制励磁涌流中的应用示例。

    一、开关电源(SMPS)中的励磁涌流限制

    各种开关电源(SMPS)——它们体积小、重量轻、性能高——通常被用作电子设备的电源。给SMPS通电时,具有高峰值的励磁涌流给平滑电容器充电,从而给装置充电。由于这种励磁涌流会对电容器的使用寿命产生有害影响,损坏电源开关的触点或破坏整流二极管,所以有必要采取相应的对策。

    如下图所示,通过插入NTC热敏电阻来限制SMPS的励磁涌流被广泛地用作形成用于限制电源中的励磁涌流的低成本简易电路的方式。即使在整流器电路之后连接NTC热敏电阻,也可以得到相同的结果。

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    图1 开关电源中的励磁涌流限制

    二、交流-直流电源模块中的励磁涌流限制

    各种电源电路和外围电路紧凑地集成到一起的内置电源称为电源模块。交流-直流电源模块是由交流-直流整流电路、直流-直流转换器以及少量外部零部件组成的电源,可以形成一个节省空间的优化电源系统。插入一个NTC热敏电阻(电源热敏电阻)可以有效地限制在通电时施加到输入和输出电容器上励磁涌流。

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    图2 交流-直流电源模块中的励磁涌流限制

    三、直流-直流转换器中的励磁涌流限制

    在直流-直流转换器等的直流电源电路等中,NTC热敏电阻用作电源热敏电阻,有效地限制励磁涌流,输入和输出电容器在接通电源时充电。NTC热敏电阻的电阻在通电后变得非常低,达到比使用固定电阻时更低的功率损耗。

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    图3 直流-直流转换器中的励磁涌流限制

    四、工业逆变器中的励磁涌流限制

    感应电机经常用于工厂、大型设施、办公楼等的风扇、泵、空调和其他设备。感应电机结构简单、稳定,但其转速取决于频率。为了控制转速,需要逆变器。装有逆变器的电机被称为变速驱动(VSD),它能够显著降低功耗。

    逆变器系统包括转换器部分、逆变器部分和安装在转换器部分之后的直流链路电容器(平滑电容器)。启动时,装置充电,峰值比稳定电流大几倍的励磁涌流充满直流链路电容器。这种励磁涌流可能对直流电容器的使用寿命产生有害影响或破坏半导体器件。为了防止励磁涌流,所以连接NTC热敏电阻(电源热敏电阻)。

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    图4 工业逆变器中的励磁涌流限制(三相)

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    图5 工业逆变器中的励磁涌流限制(单相)

    展开全文
  • NTC热敏电阻用作ICL(励磁涌流抑制器)时,能够方便、有效地保护电气、电子器件的电路免受励磁涌流的影响。NTC热敏电阻的优点NTC热敏电阻是一种采用具有负温度系数(NTC)的特殊半导体陶瓷制成的温度相关电阻...
  • 目前,考虑到体积,成本等因素,... 浪涌电流会造成电源电压波形塌陷,使得供电质量变差,甚至会影响其他用电设备的工作以及使保护电路动作;由于浪涌电流冲击整流器的输入熔断器,使其在若干次上电过程的浪涌电流
  • 本文首先分析电子产品为什么会有开机浪涌,然后以典型的电源电路为例分析如何使用热敏电阻抑制浪涌电流,最后介绍热敏电阻在实际应用中应如何选型。
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浪涌电流抑制电路