在各種新型先進設備上實施協同式電路保護可有助于提高設備可靠性、減少元器件數量,并使其符合嚴格的安規要求。

　　協同式方法能夠幫助保護電源、繼電器和螺線管,避免因線路故障或過載造成電流增大以及尖峰電壓或暴露在穩態過壓狀態帶來的危害。

　　SMPS設計考慮因素

　　開關電源(SMPS)可滿足消費類電子對尺寸、重量以及節能的需求,因此在很多應用包括白家電中正替代線性穩壓器。但因為SMPS缺乏過去設計方案所具有的固有電阻,因此它們通常需要更為可靠的線路保護。

　　高分子聚合物正溫系數(PPTC)過電流保護器件可以幫助制造商滿足UL60950-1/LPS (有限電源)對SMPS的要求,并提高設備的安全性與可靠性。該器件雖然不能防止故障的發生,但卻能快速反應,將電流限制到一個安全的水平,以使下游元件免遭損壞。另外PPTC器件尺寸較小,可以很容易地用在空間受限的應用中。

　　PPTC器件在正常工作電流下具有較低阻抗值,而當處于過電流狀態時則會跳升到高阻狀態,電阻增加將使流過的電流降低,從故障狀態變為較低的穩態,從而幫助保護設備電路。器件將保持鎖止狀態直到故障解除,當電路電源回到正常后,PPTC器件將會復位并使電流恢復,使電流回到正常工作狀態。

　　如圖１所示,PolySwitch? PPTC器件可以串聯在電源輸入端,幫助保護因電路短路、線路過載或者用戶誤操作造成的損壞。另外,在輸入兩端放置金屬氧化物變阻器(MOV)還可提供過壓保護。

圖１ 開關電源常用電路保護設計

　　PolySwitch也可以放在MOV的后面,很多設備制造商喜歡在保護電路里將可復位PolySwitch器件與上游失效安全保護結合在一起,此例中R1作為鎮流電阻與保護線路結合起來應用。

　　螺線管設計考慮因素

　　螺線管是一種電磁器件,它由線圈、線框、電樞以及支撐架組成。線圈和支撐架在線框上由機械固定,電樞則插在線圈中。當線圈受到電流激勵時將產生磁力,把活塞拉入線圈并固定在支撐架上。

　　螺線管受到激勵后,電樞行程終端位置由一個傳感器檢測,傳感器將電樞位置信息反饋給系統電路,以關閉螺線管電源。如果傳感器失靈,造成電樞沒能拉入,間歇性工作的螺線管將產生大量熱并可能會失效。

　　將PPTC器件與MOV組合在一起安裝于AC輸入的初級,可以保護過流與過壓失效造成的損壞。與一次性熔斷絲不同,可復位PPTC器件還能保護因失效造成溫度升高而只有輕微電流變化帶來的損壞。

　　某些過載情況也會導致MOV保持夾緊狀態并繼續導電,這將最終造成器件溫度過高而失效。此時可將PPTC器件與MOV器件串聯并靠近以便其溫度接近,由于MOV將熱傳遞給PPTC器件,PPTC器件參數變化加快,限制了流過MOV的電流,這樣MOV可在更大過載狀態提供保護。

　　這一技術可使設計人員利用PPTC器件的溫度響應,并取代電路中其他熱保護元件。PPTC器件這里不僅具有兩種功能,而且還是一種完全可復位方案。

　　螺線管失效最常見的原因是機械出現堵塞,可能是螺線管受到臟物的污染,或者有碎片卡在電樞和線圈內壁之間,阻礙了正常運動。其他問題包括未對準、彈簧損壞或者力量方向相反。

　　這些情況都可能導致流過螺線管的電流不變而線圈溫度升高,最終燒掉線圈的絕緣層和線路。如圖2a和2b所示,在正常情況下螺線管每個周期線圈溫度都會升高,圖2c顯示了過溫故障如何導致線圈繞組被燒掉,圖2d則顯示一個插入到線路中的PolySwitch器件在升到120℃ 時限制IIN使線圈溫度逐漸降低以保護線圈免受損壞。

圖2 PolySwitch器件通過限制線圈電流防止過流/過溫造成的損壞

　　繼電器設計考慮因素

　　繼電器經常用在消費類電子設備中以較小信號電平控制大電流和高電壓的場合,或者用于切換必須與控制電路隔開的電流。繼電器最基本的部分是線圈、電樞和觸點。將繼電器接入電路后,電流將在繼電器線圈中產生磁場,然后磁場作用于電樞使得繼電器輸出所連接的觸點接通或者斷開。

　　過高的電壓或者電流可能導致繼電器損壞,一個常見的問題是繼電器斷開感性負載的電流時產生的尖峰電壓。如果尖峰電壓足夠大超過繼電器觸點額定電壓,觸點就可能被損壞(V = Ldi/dt),這一損壞可能是突然的,也可能是緩慢的,經過多年的工作后出現。

　　另外,當觸點斷開電流斷開時,如果流經觸點的電流過大也會造成損壞。過大的電流與電壓還會損壞繼電器線圈。如果繼電器線圈設計為在正常工作狀態下只有很短的激勵時間,那么正常工作電流下如果偶爾激勵時間延長也會損壞線圈。

　　圖3顯示了一個常見的繼電器保護線路。一個PolySwitch器件與繼電器線圈串聯,以便在出現故障或者偶爾過載時限制電流。該圖還顯示了PolySwitch與繼電器觸點串聯的情況。

圖3 典型的過流/過壓繼電器保護線路

　　選擇PPTC器件時,其額定電壓等于或大于最大可能電壓是非常重要的,同時其保持電流也要等于或大于正常工作狀態下最大穩態電流。另外,還必須考慮最高環境溫度,因為環境溫度升高會導致保持電流下降。

　　圖3還顯示繼電器觸點并聯了一個MOV或者MLV,其額定參數取決于電壓和最大浪涌電流,重要的是所選擇的器件不會在正常峰值電壓下傳導大電流。MOV參數包括最大允許AC或DC電壓,每個MOV和MLV器件也有最大額定浪涌電流,確定額定浪涌電流的常見標準做法是采用8/20微秒波形(上升時間為8微秒,下降到峰值一半的時間為20微秒)。隨著變阻器尺寸的增加,8/20微秒浪涌電流額定值也會升高,MOV或MLV也可與繼電器線圈并聯,如圖3所示。

　　總結

　　協同式過壓/過流線路保護可以幫助設計人員減少元器件數量,設計更加安全和可靠的產品,并符合法規的要求,降低保修和維修成本。PPTC器件具有可恢復功能和低線路阻抗特性,其額定電壓為240VAC,允許最大電壓達265VAC,并可安置在AC輸入線路上。MOV和MLV器件可幫助制造商符合系列安規要求,并提供大電流處理能力和能源吸收性能以及對于瞬時過電壓的快速響應。

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