一種新型交流電源線保護電路設(shè)計

交流電源線的過壓保護是一種常見的做法，其中包括各種保護電路解決方案。大多數(shù)設(shè)計都是成本驅(qū)動的，并且往往只使用最低限度的保護策略。每年售出數(shù)十億臺低成本金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 器件以滿足這些需求。對于需要最大限度減少保修退貨或滿足其他產(chǎn)品線成本問題的保護方案的其他設(shè)計，可以使用將氣體放電管和 MOV 組合成單封裝解決方案的新型混合器件以及功率瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管。這些器件提供增強的保護功能，從而提供更高的可靠性。在許多情況下，較高的初始成本將被售后維護和保修節(jié)省所抵消。

還有一類應(yīng)用程序，其中不能選擇失敗。在許多此類應(yīng)用中，維修或更換成本是由訪問設(shè)備的成本驅(qū)動的，而不是設(shè)備本身的價值。示例包括塔式和桿式燈、標(biāo)牌、攝像頭和通信設(shè)備。在其他應(yīng)用中，根本不能容忍設(shè)備故障。這些可能包括緊急通信、軍事和醫(yī)療設(shè)備、關(guān)鍵的 5G 微微蜂窩和安全系統(tǒng)。

本文介紹了一種新穎的保護電路，旨在滿足此類關(guān)鍵應(yīng)用的要求。

電壓鉗陷阱

電路保護設(shè)計人員必須確保輸入電壓浪涌不會超過交流輸入組件的額定電壓。幾乎所有傳統(tǒng)的交流電源線過壓保護策略都使用電壓鉗位裝置。無論采用何種核心技術(shù)，電壓鉗位對浪涌電流的抵抗力雖小但真實，這意味著更高的浪涌電流將驅(qū)動更高的允通鉗位電壓。（圖 1 顯示了典型 MOV 器件的特性。）這意味著總會存在一定程度的浪涌電流，這可能會導(dǎo)致?lián)p壞鉗位電壓。

圖 1：典型的 10-mm MOV 電壓-電流特性曲線。。（來源：伯恩斯公司）

趨勢是選擇低壓額定值以產(chǎn)生最低鉗位電壓。但是，保護裝置絕不能在正常電源線電壓變化期間導(dǎo)通，這種變化可能超過線電壓的 20%。在連續(xù)導(dǎo)通模式下運行基本上確保了保護組件的破壞，因為這些組件傳統(tǒng)上僅針對瞬態(tài)條件進行額定。

這些相互競爭的要求對設(shè)計人員提出了真正的挑戰(zhàn)。在關(guān)鍵應(yīng)用中，解決方案通常是選擇額定電壓非常高的線路輸入組件，而這些保護組件的成本相應(yīng)增加。

救援電子限流器

電子限流器 (ECL) 在檢測通過電流的兩端雙向集成電路中使用耗盡型（通常為“導(dǎo)通”）MOSFET。當(dāng)電流超過額定跳閘電流時，這些設(shè)備可以在大約一微秒內(nèi)“關(guān)閉”。一旦跳閘，內(nèi)部 FET 器件將保持“關(guān)閉”狀態(tài)，直到下一次電壓過零，此時它會恢復(fù)到低電阻“開啟”狀態(tài)。在“關(guān)閉”狀態(tài)下，ECL 可以承受幾百伏的電壓。

如果 ECL（例如 Bourns TBU 高速保護器(HSP) 瞬態(tài)阻斷單元器件）與小型 TVS 二極管（見圖 2）耦合，則當(dāng)超過 TVS 閾值電壓時，TVS 器件開始導(dǎo)通。這會導(dǎo)致電流流入 TVS 設(shè)備，進而使 ECL 跳閘。此操作會在 TVS 擊穿電壓下精確地將受保護電路與交流電源斷開。該保護電壓水平與浪涌電壓的大小無關(guān)。

圖 2 顯示了使用 ECL 和 TVS 器件組合的典型保護電路。。（來源：伯恩斯公司）

對下游 AC 輸入組件實施這種精確且有保證的電壓限制，使保護設(shè)計人員能夠最大限度地降低這些組件的額定電壓，從而在確保有效保護的同時節(jié)省成本。

負(fù)載過流保護

ECL 也可能因流向受保護電路的過大電流而跳閘。這可能是由受保護電路中的故障（不是由過壓事件引起）引起的，該故障可能是永久性的，也可能是暫時的。在這種情況下，ECL 充當(dāng)自動復(fù)位線路保險絲。只要故障持續(xù)存在，ECL 就會在交流輸入電壓的每半個周期跳閘，防止過多的功率流向下游。

ECL 還可以用作軟啟動控制器，限制電源啟動期間的峰值浪涌電流，從而減少整流二極管、濾波電容器和其他交流輸入組件的壓力。

電壓驟升保護

如果交流輸入電壓膨脹達到危險水平，TVS 二極管將開始導(dǎo)通，就像它在瞬態(tài)事件期間一樣，防止超過設(shè)計限制的電壓到達受保護電路。只要電壓驟升事件持續(xù)存在，這可能每半個周期發(fā)生一次。由于 ECL 在超過電壓限值之前一直處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，因此仍允許電流流向受保護電路。在許多情況下，受保護電路將在 ECL 設(shè)備關(guān)閉之前的每個半周期內(nèi)消耗足夠的功率，以允許應(yīng)用程序繼續(xù)正常運行。一旦浪涌條件結(jié)束，ECL 將保持“開啟”狀態(tài)，直到下一次交流浪涌或瞬態(tài)事件發(fā)生。

與簡單的電壓鉗位保護電路不同，該電路不僅可以承受交流線路電壓的升高，還可以保護下游組件免受更高電壓的影響。在許多情況下，這種電路設(shè)計方法甚至允許應(yīng)用程序在電壓驟升事件期間正常運行。

管理初級過壓

上述電路有效地管理傳送到受保護電路的電壓和電流。然而，還需要考慮“初級保護”，這意味著保護 ECL 器件免受超過數(shù)據(jù)表限制的電壓的影響，而不會干擾 ECL + TVS 器件組合提供的保護。

過壓事件的另一個來源是 ECL 本身的觸發(fā)。當(dāng)由非常常見的感應(yīng)電源供電時，電流的突然中斷會導(dǎo)致電感（變壓器、扼流圈等）輸出端的輸入電壓出現(xiàn)尖峰，以保持電流的連續(xù)流動。這些峰值通常持續(xù)時間不長，但如果不加以管理，它們確實會對 ECL 構(gòu)成威脅。

例如，可以選擇額定承受 850 V 的 Bourns TBU HSP 用于交流電力線服務(wù)，從而設(shè)置最大鉗位電壓。TVS 擊穿電壓設(shè)置初級保護擊穿電壓的下限。使用這種組合方法有助于確保初級保護在可接受的電壓水平下處于非活動狀態(tài)，同時仍為 ECL 器件提供所需的保護。

功率損耗管理

應(yīng)考慮 ECL 中的功率損耗。例如，為保護消耗 100 W、功率因數(shù)為 0.8 的 125-VAC 應(yīng)用而部署的 ECL 的輸入電流為 100 ÷ 125 ÷ 0.8 = 1 Arms。使用 3-Ω ECL 設(shè)備會導(dǎo)致 3-W 功率損耗。當(dāng)然，沒有人希望在他們的保護方案中看到 3% 的功率損耗，但在“故障不是一種選擇”的應(yīng)用中，這可能是可以容忍的。（請注意，240 VAC 應(yīng)用將有一半的電流和四分之一的損耗。）

圖 3 顯示了為上述場景設(shè)計的該電路的實現(xiàn)。首先選擇 TVS 二極管以承受 125 VAC 以上 15% 的電壓膨脹，其峰值電壓為 125 × √2 × 1.15 = 203 V。

圖 3：對于該電路，Bourns 型號 SMCJ180CA TVS 二極管是一個不錯的選擇，其擊穿電壓介于 201 和 222 V 之間。通過四個并聯(lián) Bourns TBU HSP 型號 TBU-CA085-500- 可以實現(xiàn)所需的 3-Ω ECL 電阻WH 設(shè)備，導(dǎo)致約 2 A 的跳閘電流。單擊以獲得更大的圖像。（來源：伯恩斯公司）