一文讀懂:各類壓敏電阻在ESD和浪涌抑制中的應用
各類壓敏電阻的特點
壓敏電阻可發(fā)揮抑制器作用,保護設備及電路免受來自ESD(靜電放電)或雷擊浪涌等瞬態(tài)異常電壓的影響。
引線式盤壓敏變阻器或SMD盤壓敏變阻器適合用于較大的浪涌電流(100A~25kA)保護中。而塊型壓敏電阻以及條型壓敏電阻則適合用于更大的浪涌電流(約25kA以上)保護中。
應用示例:開關(guān)電源輸入部浪涌保護
小型、輕量、高效率的各類電源開關(guān)多作為電子設備的電源使用。在開關(guān)電源中,電源電路前段擁有EMC濾波器電路,其用于抑制通過電源線侵入的傳導噪音。但僅依靠EMC濾波器無法阻擋雷擊浪涌或開關(guān)浪涌,因此EMC濾波器前段設有使用盤型壓敏電阻的浪涌保護電路。與浪涌放電管等的組合以及電路結(jié)構(gòu)多種多樣。在用于筆記本電腦等的AC適配器中也內(nèi)置有同樣的保護電路。帶有防雷功能的電源插排以及插座中也使用有壓敏電阻。
圖1 開關(guān)電源的浪涌保護電路示例
應用示例:LED照明系統(tǒng)浪涌保護
LED照明系統(tǒng)除了連接有多個LED的LED陣列、驅(qū)動器(驅(qū)動電路)、控制電路、LED電源等之外,還會由通信用電源等子系統(tǒng)構(gòu)成。為抑制接口部ESD/浪涌對策,除了使用大量的貼片壓敏電阻之外,ESD陣列中也必須使用壓敏電阻。LED是使用半導體的器件,若不采取對策則會因靜電或浪涌而遭到破壞。為此,LED器件中壓敏電阻會以并聯(lián)方式搭載。
圖2 保護LED照明系統(tǒng)中LED器件
應用示例:馬達等誘導性負荷浪涌保護
馬達、電磁線圈、電磁閥等使用線圈的誘導性負荷設備在關(guān)閉電源的瞬間會以反電動勢形式放出此前積攢的磁能,繼而產(chǎn)生高浪涌電壓。為了保護設備免受此類浪涌電壓影響,需要以并聯(lián)的方式將壓敏電阻與負荷進行連接。
圖3 馬達等誘導性負荷浪涌對策
應用示例:帶電磁制動器馬達的浪涌對策與開關(guān)觸點保護
用于產(chǎn)業(yè)設備中的AC馬達中擁有帶電磁制動器型產(chǎn)品。其通過使用電磁鐵、電樞(可動鐵板)以及彈簧的電磁制動器,可在關(guān)閉開關(guān)的同時停止馬達旋轉(zhuǎn)。但電磁鐵是使用線圈的誘導性負荷,在切斷電流的瞬間,線圈會產(chǎn)生反電動勢,從而發(fā)生高浪涌電壓,繼而會損傷開關(guān)觸點。而連接壓敏電阻則是為了吸收該浪涌電壓,從而保護開關(guān)觸點。
圖4 帶電磁制動器馬達的開關(guān)觸點保護
應用示例:SSR(固態(tài)繼電器)浪涌對策與輸出端子保護
大多數(shù)流過大電流的產(chǎn)業(yè)設備中均搭載有使用半導體器件(晶閘管等)的SSR(固態(tài)繼電器)。由于其屬于通過光電耦合器進行電氣絕緣的繼電器,因此可通過直流電源微小電流的ON/OFF信號對設備進行安全的ON/OFF控制。但由于大電流會ON/OFF,因此輸出端子容易因開關(guān)浪涌而出現(xiàn)損傷。為了抑制這種情況發(fā)生,輸出側(cè)會以并聯(lián)方式連接壓敏電阻(也有內(nèi)置壓敏電阻的SSR)。
圖5 SSR(固態(tài)繼電器)輸出端子保護
應用示例:甩負荷/場衰變浪涌對策
切斷馬達、交流發(fā)電機(發(fā)電機)等使用線圈的誘導性負荷中流過的電流時,會因為產(chǎn)生反電動勢而發(fā)生高浪涌電壓。
甩負荷是指在從交流發(fā)電機向電池供應電流的狀態(tài)下,當發(fā)生電池端子斷開等導致電池線被切斷時產(chǎn)生的浪涌影響。而場衰變是指,不慎將電池極性接反時而產(chǎn)生的負電壓浪涌影響。
這兩種浪涌均會傳遞至ECU中從而引起錯誤工作,因此需要通過甩負荷試驗與場衰變試驗。盤型壓敏電阻則主要用于抑制浪涌。
圖6 甩負荷與壓敏電阻浪涌對策
ECU的抗擾度試驗與電磁干擾試驗(ISO10605)
ECU的EMC評估試驗包括確認ECU有無錯誤工作的抗擾度試驗,對ECU設計是否會產(chǎn)生超過限度值的噪音進行評估的電磁干擾試驗。
應用示例:太陽能發(fā)電系統(tǒng)連接箱/功率調(diào)節(jié)器浪涌保護電路
通過太陽能板發(fā)電的直流電力會通過連接箱輸送至功率調(diào)節(jié)器,在經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器進行升壓,通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流后輸送至商用電力系統(tǒng)中。為了保護電路免受感應雷擊浪涌的影響,連接箱與功率調(diào)節(jié)器的輸入及輸出部插入有使用壓敏電阻的電壓保護電路。通過配合浪涌放電管使用可進一步提高可靠性。
圖7 太陽能發(fā)電系統(tǒng)連接箱/功率調(diào)節(jié)器浪涌保護電路
應用示例:使用防雷變壓器的重要設備浪涌保護
為保護數(shù)據(jù)中心服務器、電話交換機等重要設備免受雷擊浪涌影響,會使用防雷變壓器裝置。其組合了使用壓敏電阻的SPD(浪涌防護器件/避雷器)以及對初級繞組與次級繞組進行靜電屏蔽處理的特殊變壓器,SPD中未完全去除的浪涌會通過靜電屏蔽材料旁通至地面。其對于共模感應雷擊浪涌可發(fā)揮優(yōu)異的效果。
圖8 使用防雷變壓器的雷擊浪涌對策示例
應用示例:應對產(chǎn)業(yè)設備中高能量浪涌
塊型壓敏電阻與條型壓敏電阻是用于產(chǎn)業(yè)設備及通信設備電源、發(fā)電廠及變電站配電盤、鐵路信號系統(tǒng)等中的高能量型產(chǎn)品,具備極大的浪涌電流耐量。塊型壓敏電阻是放置于外殼內(nèi)部的螺絲端子型產(chǎn)品,條型壓敏電阻則是螺絲固定(或焊錫)用開孔接插片(平板)端子型產(chǎn)品。AC電力線放電管也會一同使用。
圖9 產(chǎn)業(yè)設備中高能量浪涌對策示例