三級浪涌防護及退耦設(shè)計

浪涌(surge)也叫突波、瞬變(voltagetransient)，是電路短路、電源切換或大型發(fā)動機開關(guān)機引起的電流瞬間超出穩(wěn)定值峰值的突發(fā)現(xiàn)象，一般指發(fā)生在幾百萬分之一秒時間內(nèi)的一種尖峰脈沖，通常包括浪涌電壓和浪涌電流。

浪涌防護原理

浪涌的危害性非常大，可使電路瞬間燒壞，而浪涌保護就是利用線性元器件對高頻(浪涌)的敏感設(shè)計的保護電路，簡單而常用的是并聯(lián)大小電容和串聯(lián)電感。對于商用設(shè)備，一般通過含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品吸收突發(fā)的尖峰能量，保護連接設(shè)備免受浪涌損害。

在電路設(shè)計中，一般遵循“多級防護、逐級削減”的原則，組合使用多種保護元器件方案，實現(xiàn)系統(tǒng)級、高可靠的浪涌防護。

第一級保護

大多數(shù)防護電路中，第一級是最容易引入雷電等尖峰的端口。

對于建筑物進線口、AC電源輸入端口等應(yīng)用，這些場合選取氣體放電管等大通流保護器件，如GDT、SPG、TSS、信號類防雷模塊(SPD)等。在直流電路可以適用高滅弧電壓的GDT，類似雷卯電子的2R350-8LH,可以用于DC24V的直接跨接，

浪涌兩級保護方案

對于電源端口場合，第一級防護一般選用能夠承受較高電壓或較大電流的箝位型大通流保護器件。若在電源端口選用開關(guān)型保護器件，過電壓時開關(guān)型器件導通后電壓較低，本身影響系統(tǒng)的供電電壓，另一方面系統(tǒng)電壓有可能會維持一直處于導通狀態(tài)不能正常斷開，系統(tǒng)長時間通過較大的電流(如A級電流)可能對電路板造成致命傷害，甚至引起火災(zāi)。

MOV加GDT保護方案

針對電源端口第一級箝位型過電壓保護器件，一般選取金屬氧化物壓敏電阻(MOV)、超大功率TVS(hyperfix)，或由這幾種器件組合而成的防雷模塊(SPD)等。當然，低速信號端口也可選擇箝位型器件進行第一級防護，但前提是箝位型器件的結(jié)電容不能影響通信線路的正常通信。

第二級保護

第二級防護與第一級防護類似，一般選用反應(yīng)速度快箝位電壓低的TVS、ESD等。

在第二級，過于突出的尖峰脈沖已經(jīng)被第一級削掉，只剩下小于第一級閾值的干擾信號、EMI以及二次產(chǎn)生的噪聲。其中，ESD專為門防靜電元件，由多個二極管或TVS組合而成，適用于高速數(shù)據(jù)線路ESD防護，如HDMI、USB3.0、IEEE1394等。

退耦元器件

退耦元件具有一定阻抗，作用是保證兩級過電壓保護器件協(xié)同工作。由于第一級防護器件與第二級防護器件采用的過電壓保護器件種類不同，擊穿電壓大小不同，響應(yīng)時間不同，只好通過退耦元件進行匹配。

設(shè)計中，第二級過電壓保護器件一般采用響應(yīng)速度較快的小通流低壓器件，浪涌電壓沖擊時會先導通，退耦器件具有一定的內(nèi)阻，經(jīng)過大浪涌電流時，會將退耦元件之前的電壓提高到第一級過電壓元件的擊穿電壓之上，第一級元件導通后可泄放大浪涌電流，從而分擔了第二級保護器件的壓力。如果兩級過電壓保護器件之間不加退耦器件，這樣第二級保護器件就會一直處于先導通狀態(tài)，當浪涌電流超過第二級元器件能力時便會使其損壞。

選擇退耦器件時，要根據(jù)線路的工作電流大小來選取，如一些信號電路工作電流較小，在保證其正常通信的情況下可選取功率型電阻或自恢復保險絲(PPTC)，退耦電阻一般選取10Ω以內(nèi)。從浪涌防護角度看，退耦電阻越大越好，但也不能太大，否則會影響線路正常工作電流，需要工程師在電路設(shè)計時綜合考慮。

對于一些輸入電流較大的低頻線路，可選用電感來進行退耦，電感阻抗的計算公式為Z=2πfL，當確定好退耦阻抗值后，可從公式中計算出所用電感的大小。

單TVS防護方案

在類似5G基站的防雷設(shè)計電路上，對電力的VC箝位電壓要求非常高，也可以采用單TVS的保護方案，使用的是雷卯電子的AK系列TVS，類似AK10 AK15 防護10KA級別的TVS，這類方案的特點是殘壓很低。

上面只是一些基本思路，實際應(yīng)用中要根據(jù)每種電路保護元件的特點，取長補短搭配選用，這樣才能獲得高性價比的電路保護方案，為用戶提供高可靠、高性能的電子電子產(chǎn)品，在激烈的市場競爭中獲得先機