用于安防系统和火警的电路保护器件 - 全文

      安防和火警系统设计在特定电流和电压范围内工作。如果由于短路、瞬时过压而导致电压和电流超出了正常范围，系统中的部件就会永久损坏，设备也因此不能发挥正常功能。供电和电路走线也必须进行保护，以避免在安装过程中或后备电池短路时发生故障。

　　安防系统中的调制解调器常常用于发生紧急情况时向消防部门或警察报警。这些电话线路必须进行保护，以免被闪电、电力线搭线，或交流感应电流毁坏。告警系统也必须符合UL864标准，该标准要求焊装的保险丝是不允许用在供电电路中进行限流的。如果安防系统与电话线连接，在北美就必须符合UL60950和TIA968-A标准，在欧洲和其他地区也必须符合ITU K.21标准。

过流保护

　　在安防和告警系统中，保险丝通常用于过流保护。然而，UL864和UL90950对这些设备来讲显然要求过高了，它可能在某些测试条件下使设备发生疲劳。更重要的是，保险丝是一次性的器件，被烧毁后必须更换。

　　许多设备制造商更愿意使用可重复使用的聚合物正温度系数（Polymeric Positive Temperature Coefficient：PPTC）器件来进行电路保护，例如，PolySwitch器件。与保险丝不同，PPTC器件在发生短路故障后不用更换，并且允许在过流条件排除后重新上电使电路回到正常工作状态。

　　PPTC器件由包括导电填充物在内的合成物构成，例如，碳黑填充物等，它们使整个器件可以导电。在常温条件下，导电粒子在聚合物中形成很低的导通电阻。然而，如果温度上升到器件的切换温度（TSW），无论是由通过器件的大电流引起的，还是由环境温度的骤然增加所引起的，都会导致聚合物中的微晶熔化并处于非结晶态。

　　在结晶体熔化阶段，熔化的数量增加会将导电颗粒分离，从而使器件的导通电阻产生非线性增加。导通电阻通常会增加三个或更多数量级。导通电阻的增加使流过故障条件下的设备电流降低到一个很低的、稳定的值，因此有助于保护电路中的设备。

　　由于PPTC器件的导通电阻由低电阻转换到高电阻状态是基于温度的变化的，所以这种器件可以实现过流和过温保护。当电流流过PPTC器件时，根据功率消耗公式I2R，电流被转换成热功率，器件就被加热。当加热的温度达到切换温度时，PPTC器件就会“跳闸”，从而进入高导通电阻状态。

　　PPTC器件也可以放在某个需要进行过热保护的发热器件旁边或设备的结合处。如果设备的温度达到了PPTC器件的切换温度，PPTC器件就会转换到高导通电阻状态。通过这种方式，PPTC器件可以用于把电流降低到非常低的水平，或者作为设备超温的系统指示。控制系统然后可以决定采取哪种合适的动作来保护设备或人员。

　　PPTC器件是串接到电路中的器件。与传统保险丝相比，它们本身很小的体积有助于节省电路板空间。而传统保险丝必须安装在用户可以触到、可以更换的位置。由于PPTC器件是固态器件，所以它们能够承受机械冲击和震动。

过压保护

　　有许多种方法可以用于保护安防和火警系统免于因开关或闪电所带来瞬态过压产生的故障。比较常用的两类过压保护方式是采用电压钳位器件和电压监视器件，或称之为“crowbar”的器件。钳位器件，如金属氧化物变阻器（Metal Oxide Varistors：MOV）和二极管起作用时允许高到一个特定钳位电平的电压通过负载。电压监视器件，如气体放电管（gas discharge tubes：GDT）和半导体闸流管浪涌抑制器在有超过关断电压的浪涌电压发生时就会动作。

　　在供电线路需要过压保护的应用中，金属氧化物变阻器可以承受大电流、吸收能量，而且响应迅速。把金属氧化物变阻器和PPTC成对使用可以实现一个完整的电路保护方案，用于保护供电线路和控制板中的变压器。

安防和火警设备也必须进行保护免受静电放电（electrostatic discharge：ESD）的毁坏。ESD保护器件可以把电子设备中敏感电路累积的静电放掉。PESD器件提供了ESD保护，并具有非常低的电容（0.2pF），特别适合高频应用。

新型保护IC

　　新一代增强聚合物齐纳二极管也可以保护敏感的电子器件免于被感应电压尖峰、瞬态过压、不正确的供电和极性接反等所损坏。如图1所示，PolyZen器件包括一个用于电压钳位的稳压齐纳二极管和一个非线性PPTC薄膜器件。

图1  增强型聚合物齐纳二极管用于便携电子设备的输入电源保护

　　当该器件工作时，PPTC薄膜通过低通状态向高通状态切换来实现二极管过热或过流保护。在持续大功率过压的条件下，PPTC元件的启动限制了电流，并产生电压降来有效地保护齐纳二极管和其后的电子设备，也增加了二极管的功率承受能力。

　　PolyZen器件在钳位和平滑感应电压尖峰方面效果显著。对于感应电压尖峰，齐纳二极管把电流分流到地，直到电压达到正常工作范围。在供电电压异常的情况下，该类器件可以钳位电压，并对地分流额外的功率，实现了对异常电压的锁定。

　　PolyZen器件相对平坦的电压电流响应有助于钳位输出电压，即使在输入电压和电流完全不对称的情况下亦如此。简单放一个这样的器件就可以提供和齐纳二极管相同的保护作用，但却可以承受非常高的功率异常，而且不需要在通常的PCB走线上放置任何特殊的散热器。

　　集成化的器件在电路保护方面可以有助于设备制造商满足UL60950、TIA-968-A、ITU K.20和K.21电信保护的需求。2Pro器件包括PPTC过流保护技术，并将一种金属氧化物变阻器也集成到一个热保护器件中，它可以提供过流条件下的电流限制和过压条件下的电压钳位。

图2  用于安防和火警系统中的电路保护方案示意图

　　图2描述了一个典型的用于安防和火警系统的电路保护方案。其中，过流保护是通过PolySwitch PPTC器件实现的。过压保护是通过金属氧化物变阻器和PESD器件实现的，并且集成了前面所描述保护设备I/O端口的PolyZen和2Pro器件。