一种新型交流电源线保护电路设计

交流电源线的过压保护是一种常见的做法，其中包括各种保护电路解决方案。大多数设计都是成本驱动的，并且往往只使用最低限度的保护策略。每年售出数十亿台低成本金属氧化物压敏电阻 (MOV) 器件以满足这些需求。对于需要最大限度减少保修退货或满足其他产品线成本问题的保护方案的其他设计，可以使用将气体放电管和 MOV 组合成单封装解决方案的新型混合器件以及功率瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管。这些器件提供增强的保护功能，从而提供更高的可靠性。在许多情况下，较高的初始成本将被售后维护和保修节省所抵消。

还有一类应用程序，其中不能选择失败。在许多此类应用中，维修或更换成本是由访问设备的成本驱动的，而不是设备本身的价值。示例包括塔式和杆式灯、标牌、摄像头和通信设备。在其他应用中，根本不能容忍设备故障。这些可能包括紧急通信、军事和医疗设备、关键的 5G 微微蜂窝和安全系统。

本文介绍了一种新颖的保护电路，旨在满足此类关键应用的要求。

电压钳陷阱

电路保护设计人员必须确保输入电压浪涌不会超过交流输入组件的额定电压。几乎所有传统的交流电源线过压保护策略都使用电压钳位装置。无论采用何种核心技术，电压钳位对浪涌电流的抵抗力虽小但真实，这意味着更高的浪涌电流将驱动更高的允通钳位电压。（图 1 显示了典型 MOV 器件的特性。）这意味着总会存在一定程度的浪涌电流，这可能会导致损坏钳位电压。

图 1：典型的 10-mm MOV 电压-电流特性曲线。。（来源：伯恩斯公司）

趋势是选择低压额定值以产生最低钳位电压。但是，保护装置绝不能在正常电源线电压变化期间导通，这种变化可能超过线电压的 20%。在连续导通模式下运行基本上确保了保护组件的破坏，因为这些组件传统上仅针对瞬态条件进行额定。

这些相互竞争的要求对设计人员提出了真正的挑战。在关键应用中，解决方案通常是选择额定电压非常高的线路输入组件，而这些保护组件的成本相应增加。

救援电子限流器

电子限流器 (ECL) 在检测通过电流的两端双向集成电路中使用耗尽型（通常为“导通”）MOSFET。当电流超过额定跳闸电流时，这些设备可以在大约一微秒内“关闭”。一旦跳闸，内部 FET 器件将保持“关闭”状态，直到下一次电压过零，此时它会恢复到低电阻“开启”状态。在“关闭”状态下，ECL 可以承受几百伏的电压。

如果 ECL（例如 Bourns TBU 高速保护器(HSP) 瞬态阻断单元器件）与小型 TVS 二极管（见图 2）耦合，则当超过 TVS 阈值电压时，TVS 器件开始导通。这会导致电流流入 TVS 设备，进而使 ECL 跳闸。此操作会在 TVS 击穿电压下精确地将受保护电路与交流电源断开。该保护电压水平与浪涌电压的大小无关。

图 2 显示了使用 ECL 和 TVS 器件组合的典型保护电路。。（来源：伯恩斯公司）

对下游 AC 输入组件实施这种精确且有保证的电压限制，使保护设计人员能够最大限度地降低这些组件的额定电压，从而在确保有效保护的同时节省成本。

负载过流保护

ECL 也可能因流向受保护电路的过大电流而跳闸。这可能是由受保护电路中的故障（不是由过压事件引起）引起的，该故障可能是永久性的，也可能是暂时的。在这种情况下，ECL 充当自动复位线路保险丝。只要故障持续存在，ECL 就会在交流输入电压的每半个周期跳闸，防止过多的功率流向下游。

ECL 还可以用作软启动控制器，限制电源启动期间的峰值浪涌电流，从而减少整流二极管、滤波电容器和其他交流输入组件的压力。

电压骤升保护

如果交流输入电压膨胀达到危险水平，TVS 二极管将开始导通，就像它在瞬态事件期间一样，防止超过设计限制的电压到达受保护电路。只要电压骤升事件持续存在，这可能每半个周期发生一次。由于 ECL 在超过电压限值之前一直处于完全导通状态，因此仍允许电流流向受保护电路。在许多情况下，受保护电路将在 ECL 设备关闭之前的每个半周期内消耗足够的功率，以允许应用程序继续正常运行。一旦浪涌条件结束，ECL 将保持“开启”状态，直到下一次交流浪涌或瞬态事件发生。

与简单的电压钳位保护电路不同，该电路不仅可以承受交流线路电压的升高，还可以保护下游组件免受更高电压的影响。在许多情况下，这种电路设计方法甚至允许应用程序在电压骤升事件期间正常运行。

管理初级过压

上述电路有效地管理传送到受保护电路的电压和电流。然而，还需要考虑“初级保护”，这意味着保护 ECL 器件免受超过数据表限制的电压的影响，而不会干扰 ECL + TVS 器件组合提供的保护。

过压事件的另一个来源是 ECL 本身的触发。当由非常常见的感应电源供电时，电流的突然中断会导致电感（变压器、扼流圈等）输出端的输入电压出现尖峰，以保持电流的连续流动。这些峰值通常持续时间不长，但如果不加以管理，它们确实会对 ECL 构成威胁。

例如，可以选择额定承受 850 V 的 Bourns TBU HSP 用于交流电力线服务，从而设置最大钳位电压。TVS 击穿电压设置初级保护击穿电压的下限。使用这种组合方法有助于确保初级保护在可接受的电压水平下处于非活动状态，同时仍为 ECL 器件提供所需的保护。

功率损耗管理

应考虑 ECL 中的功率损耗。例如，为保护消耗 100 W、功率因数为 0.8 的 125-VAC 应用而部署的 ECL 的输入电流为 100 ÷ 125 ÷ 0.8 = 1 Arms。使用 3-Ω ECL 设备会导致 3-W 功率损耗。当然，没有人希望在他们的保护方案中看到 3% 的功率损耗，但在“故障不是一种选择”的应用中，这可能是可以容忍的。（请注意，240 VAC 应用将有一半的电流和四分之一的损耗。）

图 3 显示了为上述场景设计的该电路的实现。首先选择 TVS 二极管以承受 125 VAC 以上 15% 的电压膨胀，其峰值电压为 125 × √2 × 1.15 = 203 V。

图 3：对于该电路，Bourns 型号 SMCJ180CA TVS 二极管是一个不错的选择，其击穿电压介于 201 和 222 V 之间。通过四个并联 Bourns TBU HSP 型号 TBU-CA085-500- 可以实现所需的 3-Ω ECL 电阻WH 设备，导致约 2 A 的跳闸电流。单击以获得更大的图像。（来源：伯恩斯公司）

图 4：使用 Bourns 型号 CVQ175K20 MOV 器件的规定过压保护（绿色箭头）。在高达 10,000 A（紫线）的浪涌事件期间，该解决方案将保持电压远低于 800 V（红线）。。（来源：Bourns, Inc.）

有信心的保护

使用本文介绍的新型电路保护设计中的组件类型，让设计工程师有信心保护其基于 AC 电源线的应用，使其能够承受几乎任何可以想象的实际线路电压骤升或浪涌。
 

　　审核编辑：汤梓红