精耕电源系统保护 TE专家分享电源设计经典案例

　　在电源设计过程中，工程师们会遇到一系列令人头疼的问题。如：雷暴天气，使不少电子设备受损，经历了雷暴损害电子设备之害，很多人为防雷防浪涌保护方案发愁；电源系统过电压保护已成为热门话题。工程师应该如何有效进行电源系统的过电压保护？为使LED照明灯具更长的使用寿命，TE是如何考量在消除因电气环境促使的现场故障中考虑瞬态电压保护？新能源汽车作为将来一大趋势，电源管理也显得非常重要，电动车系统电源电路保护该注意些什么？

　　作为工程师，我们该从哪些方面来解决以上问题呢？TE电路保护部戴泰初先生为我们全面解读防雷防浪涌方案、电源系统的过电压保护策略、瞬态电压保护延长LED照明灯寿命、电动车系统电源电路保护方案等。

　　TE在安防电子的防雷策略及案例

　　电子系统设备经常会受到外界瞬时过电压干扰，这会影响用户设备稳定运行，严重时甚至会造成设备损坏。雷击就是一种很常见的过电压现象，全球每天大约有8百万次雷击发生。

　　雷暴天气，使不少电子设备受损，经历了雷暴损害电子设备之害，很多人为防雷防浪涌保护方案发愁。最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源中感应的电流浪涌引起的，所以我们这里讨论的雷击主要指的是间接感应雷。

　　由于安防设备通常是安装在室外露天环境中，它会极易受到雷击，会严重危害安防系统的安全工作，所以安防系统一定需要一个完善的防雷防浪涌方案。

　　在安防设备上的RS-485、Ethernet、POE等端口，TE公司都有一系列完善的雷击保护方案。RJ45/POE端口广泛用于安防，视频监控以及智能电网等工业系统，用以实现系统内的数据，视频传输，流量控制，以及通过总线供电的实现。由于安防以太网工作环境的严苛，对于RJ45/POE端口的电磁兼容的雷击浪涌防护必不可少，通常接触到的客户对于交换机的以太网端口的雷击电流防护高达4KV甚至更高的6KV 10/700us 浪涌电流保护能力。基于如此高的端口浪涌防护需求，TE基于1000M RJ45/POE端口的典型解决方案如图1所示，该方案可以实现高达6KV的10/700us浪涌防护能力。

　　图1 TE关于RJ45/POE端口的解决方案

　　此外，RS-485总线标准是安防系统设备上应用最为广泛的物理层协议之一。RS-485的主要特点：支持远距离传输，长达4000英尺；双向信号差分传输，提高信号的噪音抑制能力，并且允许一条总线上可以挂接多个发射器和接收器，信号传输为宽范围电平-7V~+12V。基于RS-485电性能参数，其典型高浪涌防护等级的解决方案为两极防护，其中第一级可采用TE电路保护部门的GTCS25-900M-R05用于旁路大部分的雷击电流，中间采用TRF250-120起到第一级和第二级保护的耦合器件；而第二级保护则可以采用钳位电压更为精确的TVS或crowbar模式的thyristor，将浪涌电压残压降至最低范围。图2为TE应用于RS-485端口的典型应用解决方案。

　　图2 TE关于RS-485端口的解决方案

　　工程师该如何进行电源系统的过电压保护？

　　在过压保护方面，TE电子提供GDT气体放电管以及综合保护元件2Pro和Polyzen产品，以及多级浪涌保护方案中用于耦合器件的PPTC。下面以TE公司的PolyZen和气体放电管为例来说明TE在电源系统的过电压保护方案。

　　PolyZen器件是一个聚合物增强型、精密的齐纳二极管微组件。它包含了一个耦合至一个PPTC“热敏开关”的低电阻、精密的齐纳二极管，齐纳二极管能够和内部的PPTC过流保护元件起协同保护作用。PolyZen器件所具有的优点：首先，由于齐纳二级管的存在，它能够快速地帮助庇护下行电子元件不受瞬态过电压的影响；其次，它通过PPTC动作切断阻止过电压和反向偏压源对自身和电路的破坏。由于PPTC动作切断的延迟性，使得PolyZen具有延时断电保护功能，这可以防止由于电压或电流毛刺尖峰等因素造成系统瞬态失电；另外，PPTC动作的模拟性决定PolyZen切断电源瞬间的电流变化较为平缓，可以最大限度的减少由于电流剧烈变化造成的上行感应尖峰电压；同时新型PolyZen器件具有单一的元件布局和最小的元件尺寸，也有助于帮助在手机对尺寸要求非常高的场合也能使用。PolyZen器件除了具有瞬态过电压的保护性能之外，它还具有长时间过电压的保护性能，过流保护性能，反向保护性能等。

　　TE公司的GDT气体放电管可以并联在电源线，电信线，信号线以及数据传输线等敏感设备的前端，以保护它们免受闪电和开关操作引起的瞬间浪涌电压的破坏。正常情况下，气体放电管并不会影响信号的正常工作，在过压情况下，GDT可以切换到低阻状态，使得浪涌能量被旁路到气体放电管从未保护敏感设备。 电源工程师们都知道由于气体放电管的续流问题，当电源线两端电压超过15V电压时，不能直接并联气体放电管于电源线两端，这种情况下可以将气体放电管与压敏电阻串联后接入电路。由于气体放电管的电阻较压敏电阻大，所以输入的电压几乎都分配在气体放电管上，而压敏电阻的压降极小，所以平时工作时MOV不存在漏流。但当雷击浪涌侵入时，因MOV的存在也不会使气体放电管继续工作，因此这样即可避免产生工频续流，又可以防止压敏电阻因漏电流而自爆、老化，而且有保护器的残压低的优点。当然TE公司也在研发可以直接用于高压（比如超过15V）系统的气体放电管。

　　AC 2Pro器件如何有效保护LED照明灯？

　　TE公司也关注到LED的快速发展，该公司研发出来的AC 2Pro器件就是可以有效地帮助LED照明灯在内部过流、瞬态浪涌以及长时间过压情况下的保护。AC 2Pro中的PPTC器件可以有效的实现LED电源管理系统过流保护，因为AC 2Pro中的PPTC 元件与电路串联，因而无需额外的过电流保护，可帮助减少元件数目并优化LED灯驱动线路板空间。AC 2Pro中的MOV器件可以有效地实现瞬态浪涌保护，AC 2Pro可以实现8/20波形 2kV的雷击浪涌。而且AC 2Pro通过特殊的架构集成可恢复PPTC器件和MOV器件，还能实现LED电源管理系统过热以及失中线综合保护。在LED交流电源发生零线丢失或者接触不良时，这时候加在MOV上的电压不再是220V，而是变成380V交流高压，在这种情况下，电流会无限止上升，在MOV没有保护的情况下，在MOV上面流过的能量很高，MOV极有可能损坏。然而TE的AC 2Pro器件便可以实现在零线丢失时保护MOV，由于AC 2Pro™中集成的PPTC元件可以快速的感知MOV的温度，当MOV温度上升时PPTC的电阻也上升，并且进入高电阻状态以保护MOV。

　　AC 2Pro的创新集成配置提供了超越目前用于低电流应用以帮助防止热失控的传统方案的优势，这些传统方案包括使用带保险丝的MOV，它们在熔断后必须进行更换；将分离的PPTC器件和MOV器件相互紧挨放置在电路板上，这会导致热不稳定性和不可靠性；或者使用热保险丝与MOV相结合的一次性使用解决方案，在断开后不可重置。然而，TE公司创新的带有热耦合组件的AC 2Pro是一个可恢复的器件，并且通过维持压敏电阻表面温度低于150ºC来提供稳定性。AC 2Pro器件可以帮助LED电源系统制造商满足IEC60950和IEC60335标准，同时帮助电源系统在满足IEC61000-4-5 标准规定的雷击测试后仍能正常运行。

　　新能源汽车大势所趋，TE MHP器件为电动汽车保驾护航

　　新能源汽车无疑会成为汽车将来的发展方向，TE也非常重视新能源汽车的发展。对于电动车市场而言，和传统汽车相比，电力驱动以及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。而最近美国纯电动汽车制造商特斯拉的异军突起，也引爆了全球电动汽车市场。

　　特斯拉所采用的电池就是一种锂电池，而TE公司在电池保护领域有独到的造诣，不仅在小功率的手机锂离子电池有完善的保护方案，而且针对电动汽车的高电压大电流锂离子电池也研发出来了MHP产品。这款MHP器件解决了市场上对高性价比电路保护器件的需求，可以取代或帮助减少在一些复杂IC/MOSFET电池保护设计中使用的场效应放电管和附属的散热器的数量。

　　这款新型混合保护器件将双金属保护器与PPTC器件并联，提供了可复位过流保护，同时利用PPTC元件的低阻抗来帮助抑制双金属保护器在高电流下产生的电弧。在正常工作过程中，由于接触电阻非常低，所以大部分电流将通过双金属片。当电池故障情况发生时比如过流情况下，电池电路中将产生很高的电流，这导致双金属片触点打开，这时电流会通过与双金属片并联的PPTC，使得PPTC的电阻迅速上升，同时PPTC温度也会上升对双金属片进行加热，使其保持在打开状态。直到故障消除以后，MHP器件又可以恢复正常工作状态。

　　TE电路保护部研制出的可回流焊热保护器件（RTP）同样可以用于电动汽车的保护。这款二级保护器件是与与汽车功率电子设计师合作开发而成的，可满足汽车电子系统对更强大热保护的需求。RTP器件帮助满足汽车功率电子系统的可靠性要求，如冷却扇、ABS、转向动力装置、PTC加热器。RTP200器件的200℃断开温度有助于防止误保护，从而提高汽车电子系统可靠性，因为该温度高于大部分汽车电子正常工作的电子器件的正常工作温度范围，但低于常见无铅焊料熔点。所以，当周围的器件在规定温度范围内工作时，RTP200器件不会断开电路，但在旁边的器件脱焊和形成额外短路的潜在风险之前会断开电路，从而保护汽车以免造成更大灾难性事故发生。