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常用EMC元器件简介——防护器件

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在电子产品中,需要防护的电路主要是电源和信号,所处的位置不同其防护等级和防护方案也不同,介绍三种最常用的防护器件:TVS管,气体放电管、半导体放电管。


一、瞬态抑制二极管(TVS)

1、器件特性:

TVS又称为瞬态抑制二极管,是半导体硅材料制造成特殊二极管,TVS与被防护电路并联使用。电路正常时TVS处于关断状态呈现高阻抗特性,当外界有浪涌冲击电压时能以nS量级的速度从高阻抗转变为低阻抗吸收浪涌功率,使浪涌电压通过其自身到地,从而保护电路不受侵害。其重要的特性就是相应迅速,作用时间短。


2、伏安特性:


如上图伏安特性曲线,Vc是钳位电压、Vrwm是最高工作电压,均是TVS选型中非常重要的参数。在设计选型时为了能够对被保护电路起到保护作用,同时又不能影响后级电路正常工作,Vrwm≥电路正常工作电压。这样电路正常工作时,TVS管处于截止状态,不对电路产生影响;Vc≤电路可承受的最高电压,不然二极管遇到瞬态高压导通后保持的钳位电压比后级电路可承受电压高会造成后级电路的损伤。如下是在元器件电商平台查到的DIODES的SMBJ5.0系列规格参数,可以看到不同型号的Vc和Vrwm是不同的,根据需求选型即可。


图片来源:华秋商城

3、典型应用:

TVS管经常应用在485电路、232接口、USB接口、VGA接口等需要防静电以及热插拔端口。

如下是一个USB2.0接口典型的防护电路,主要对电源线、差分信号DM/DP进行防护,当从USB接口进来的瞬态高压,比如高达几千伏的静电耦合到信号线或电源线上时,会触发对应线路上TVS D1或D2或D3导通,将瞬间高压泄放到PGND,从而实现了对后级芯片的保护,防止几千伏的电压通过信号线或电源到后级芯片中去烧坏芯片。




二、半导体放电管(TSS)

1、器件特性

半导体放电管是一种小型化、快反应速度和高可靠性的电力电子半导体器件,它具有五层双端对称结构的设计。特点如下:

  • 反应速度快,有比较低的残压;

  • 可靠性高,一致性好;

  • 使用寿命长,可长时间重复使用;

  • 有比较低的结电容;


2、工作模式

半导体放电管的工作模式是:当外加电压低于其断态电压VDRM时,半导体放电管的漏电流极小,相当于开路;当外电压大于VDRM时,开始发生击穿;当外电压进一步加大后,半导体放电管的两端变成导通状态,相当于短路,可以泄放很大的电流;当外电压撤去以后,管子即可恢复断态。

如上半导体放电管的泄放示意图,A是模拟的雷击电压波形,B为半导体放电管拟制后的电压波形。


3、典型应用

半导体放电管主要应用在485电路、视频接口、XDSL、电话接口等需要防雷保护的接口。

如下是某DSL电话口使用半导体放电管TSS进行防护的案例。



三、气体放电管(GDT)

1、器件特性:

气体放电管,Gas discharge tube-GTD,由密封于气体放电管介质的一个或一个以上放电间隙组成的器件,用于保护设备或人身免遭高压电压的危害。普遍应用在电子产品中的是陶瓷气体放电管。主要特点是通流量大、结电容低、绝缘高等。主要是防止电子产品遭受雷击。


2、工作过程:

正常处于高阻态——(外界高压接入后)——进入辉光状态——进入弧光状态——(外界高压消失后)——进入辉光状态——恢复高阻态。


3、典型应用:

气体放电管主要应用在AC电源、DC电源接口、485电路、视频接口、XDSL、以太网接口等需要防雷保护的接口。


四、TVS、TSS、GDT三者差异

1、应用领域:

TVS更多应用于电压较低的接口以及直接针对线路板中重点IC进行保护。比如特别是对IC的ESD防护。

TSS更多应用于电信设备中出现雷击和包含交流的瞬态现象的二级保护,比如电话、传真机、调制解调器、程控交换与网络设备,以及xDSL等模拟和数字线路。

GDT主要应用在通信产品、工业产品、监护仪/超声等医疗设备的电源口、RS485、网口、光口;消费电子类如机顶盒/电子玩具等的AC电源口、同轴口;电视机/数码相机等的AC 电源口、RS485/HDMI。


2、电压等级划分:

TVS更多应用于30V以下环境,大多数IC芯片端口集成的二极管只能抵御不超过2KV的ESD。而TVS器件重要指标是所能抑止的静电电压如15KV(空气静电放电电压)、8KV(接触静电放电电压)。

TSS更多应用于50V以上环境,典型应用有200V的应用于通信线路;58V的应用程控交换机二次保护电路等。

GDT一般应用在70V-3600V ,主要是防护雷击。


3、其他对比

  • 通流量:TVS < TSS < GDT

  • 结电容:GDT < TSS < TVS

  • 响应时间:TVS < TSS < GDT