【導讀】通過(guò)增加電子元器件以提供電路保護，來(lái)防止內部和外部故障是吃力不討好的設計工作之一，這類(lèi)似于購買(mǎi)保險。盡管遵循監管要求和最佳實(shí)踐是不錯的出發(fā)點(diǎn)，但當不需要時(shí)，它似乎是一個(gè)額外的負擔;而當確實(shí)需要時(shí)，又很難知道保護是否足夠到位。需要保護的最常見(jiàn)故障類(lèi)別包括由內部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各種過(guò)壓事件。
通過(guò)增加電子元器件以提供電路保護，來(lái)防止內部和外部故障是吃力不討好的設計工作之一，這類(lèi)似于購買(mǎi)保險。盡管遵循監管要求和最佳實(shí)踐是不錯的出發(fā)點(diǎn)，但當不需要時(shí)，它似乎是一個(gè)額外的負擔;而當確實(shí)需要時(shí)，又很難知道保護是否足夠到位。需要保護的最常見(jiàn)故障類(lèi)別包括由內部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各種過(guò)壓事件。
共有以下三種基于元器件的過(guò)壓保護策略：
1.通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)將相關(guān)的過(guò)電流轉接到地，一旦超過(guò)閾值電壓，該開(kāi)關(guān)將變?yōu)榉浅５偷淖杩?
2.通過(guò)保護線(xiàn)路兩端的電壓鉗位器耗散掉多余的能量;
3.當超過(guò)電壓閾值時(shí)，以類(lèi)似熔斷器的動(dòng)作斷開(kāi)受影響的線(xiàn)路。
有許多元器件可用于實(shí)施這些保護策略。其中有些元器件在故障發(fā)生時(shí)可以充當撬棍和臨時(shí)短路線(xiàn)(圖1)，有些則充當鉗位器，將瞬態(tài)電壓限制在預設限值，直到故障消失(圖2)。請注意，“撬棍”一詞可以追溯到早期的電力系統時(shí)代，當時(shí)工人們真的會(huì )將金屬撬棍放在失控的電源總線(xiàn)上以使其短路。
圖1：當撬棍保護功能觸發(fā)時(shí)，它會(huì )在受保護的線(xiàn)路和地之間形成一條低阻抗路徑，從而將過(guò)電壓浪涌轉接到地。本文資料來(lái)源：Bourns
圖2：與撬棍相比，鉗位則是將過(guò)壓浪涌限制在預定值。
在眾多保護選項中，有氣體放電管(GDT)、晶閘管、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和多層壓敏電阻(MLV)、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)甚至齊納二極管等等。通常會(huì )看到其中幾種器件組合起來(lái)使用，以提供完整性保護，并在取長(cháng)補短的關(guān)系中彌補每種器件的固有缺點(diǎn)。顯然，還有很多故障類(lèi)型、保護元器件類(lèi)型及其保護方式。
舉例來(lái)說(shuō)，為了提供一種幾乎沒(méi)有泄漏電流從而能延長(cháng)使用壽命的過(guò)壓保護解決方案，設計人員通常會(huì )采用雙元器件布局。這種混合方法整合了兩個(gè)分立元器件：串聯(lián)的GDT和MOV(圖3)，它們有著(zhù)組合的電壓-時(shí)間曲線(xiàn)(圖4)。很顯然，這種雙元器件方法需要更多的電路板“空間”，并在物料清單(BOM)中多添加一個(gè)元器件。
圖3：GDT和MOV的串聯(lián)使用提供了一種更有效的過(guò)壓保護解決方案。
圖4：GDT+MOV混合布局的響應與時(shí)間關(guān)系充分展示了它如何整合每個(gè)器件的基本響應屬性。
但還有一個(gè)更大的問(wèn)題和復雜性：MOV和GDT區域的電路板布局通常受制于定義最小爬電距離和電氣間隙的監管要求。間隙是空氣中兩個(gè)導電部件之間的最短距離;爬電距離是指兩個(gè)導電部件之間沿著(zhù)固體絕緣材料表面的最短距離。
這些距離將隨著(zhù)電壓的增加而增加。因此，MOV和GDT元器件在實(shí)際的電路板布局時(shí)又增加了另一個(gè)需要關(guān)注和約束的點(diǎn)。
最近，看到一種相對較新的保護器件，它是兩個(gè)現有器件的組合，但不光是兩個(gè)分立元器件的簡(jiǎn)單、明顯的合并封裝。Bourns公司的IsoMOV系列混合保護系列產(chǎn)品中的器件就是將MOV和GDT整合在一個(gè)封裝中，能提供與分立MOV和GDT串聯(lián)等效的功能(圖5)。
圖5：IsoMOV的原理圖符號(右)顯示為兩個(gè)器件各自標準符號的合并。
看一下IsoMOV的結構就會(huì )發(fā)現，它不僅僅是簡(jiǎn)單的將MOV和GDT共同封裝在一個(gè)共享外殼中，而是將兩者有機的整合在一起，形成了功能上與分立MOV和GDT串聯(lián)等效的效果(圖6)。
圖6：IsoMOV的物理結構是一種完全不同的混合功能實(shí)現。
內核組裝完成后，還需連接引線(xiàn)并涂上環(huán)氧樹(shù)脂。結果是一個(gè)大家熟悉的徑向圓盤(pán)型MOV封裝，它僅比類(lèi)似額定值的傳統器件稍厚且直徑更小(圖7)。此外，由于采用了專(zhuān)利設計正在申請中的新型金屬氧化物技術(shù)，這個(gè)IsoMOV元器件在相同尺寸下還具有更高的額定電流，而且消除了占位面積問(wèn)題和爬電距離/間隙問(wèn)題。
圖7：IsoMOV的徑向引線(xiàn)盤(pán)封裝看起來(lái)像標準MOV，但它比單個(gè)等效的MOV體積更小，額定電流更高。
這種電路保護器件不僅僅是“兩全其美”，因為該設計還有其他優(yōu)勢。MOV故障(是的，它們具有眾所周知的各種故障模式)通常以金屬化區域邊緣的所謂“浪涌孔”為特征，這通常是由浪涌期間該邊緣的MOV內部溫度升高引起的。Bourns公司表示，這項技術(shù)旨在大幅減少或消除這種故障模式。
當組合產(chǎn)品不僅僅是其組成部分的簡(jiǎn)單累加時(shí)，它總會(huì )讓人感興趣。在這里，除了明顯節省空間外，這種組合還能提供性能和法規遵從方面的優(yōu)勢。退后一步說(shuō)，想想能夠“開(kāi)箱即用”(實(shí)際上，這里是“入箱即用”)，并查看內部結構細節后發(fā)現，這種保護器件確實(shí)具有實(shí)實(shí)在在的好處。
我們經(jīng)?？吹酵ㄟ^(guò)合并封裝來(lái)實(shí)現更高水平的功能集成，從而形成更小的外殼或芯片，這通常是一件好事，但有時(shí)在性能折衷方面也有不利之處。但是，這里的情況似乎并非如此。事實(shí)上，這是我近年來(lái)第二次看到小型非IC元器件出現這種情況。有些供應商已經(jīng)在一個(gè)外殼中設計了可充電電池和超級電容器的組合，它們提供的可不光是更小的共同封裝，而是對器件構造和物理特性的根本性再思考。其結果遠遠優(yōu)于兩個(gè)單獨的能量存儲元器件之和，實(shí)現了“一加一大于四”的效果!
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