高密度电子产品中的稳健过压保护

更小和更高密度的电子产品是一个持续的趋势。然而，这些日益集成和复杂的设计现在变得更加敏感，更容易受到闪电和其他高压浪涌等瞬态威胁造成的损坏和停机。由于电信、工业和医疗设备设计的性质各不相同，单一设备的浪涌保护解决方案很少可行。需要采用多阶段/多技术保护方法来利用每种技术的优势和劣势。

比较过压保护

过压设备转移快速浪涌能量，例如闪电，而大多数过流设备增加电阻以限制来自较长持续时间的浪涌电流的浪涌电流。有两种类型的限压保护器：开关器件（如 GDT）和钳位器件（如 MOV 和 TVS）（见表）。GDT 因其极低的电容和低泄漏特性以及高浪涌电流处理能力而广受欢迎。

 

技术	过压类型	优点	缺点
气体放电管 (GDT)	撬棍	高浪涌电流处理 非常低的泄漏 非常低	较慢的响应时间 (µs) 尺寸包装 低电压保护能力差
金属氧化物压敏电阻	夹钳	高浪涌电流处理 快速响应时间 (ns)	随着时间的推移更高的泄漏 高电容 大电流器件的尺寸和封装
瞬态电压抑制器 (TVS)	夹钳	高浪涌处理 快速响应时间 (ns) 中等浪涌电流处理 能够保护到低水平	更高的电容 电流处理能力更大

 

通常放置在电路中以限制电压并将浪涌电流转移到地（共模）或源（差模），GDT 具有非常高的阻抗 (>1 GΩ)，因此在正常情况下对电路几乎不可见手术。当电压扰动超过 GDT 的击穿值时，它将切换到虚拟短路，称为电弧模式，分流浪涌电流并保护设备。由于电离 GDT 内的气体需要时间，GDT 通常具有相当慢的响应时间。传统的 GDT 器件可提供强大的过压保护，但这样做的代价是宝贵的 PCB 空间。  

使用三级解决方案进行有效保护   

设计人员可以为高密度设计使用先进的三级保护解决方案。这采用 TVS 二极管进行二级保护，高速保护器 (HSP) 设备进行协调，并采用 GDT 进行初级保护，最适合位于暴露瞬态环境中的应用。它提供协调响应，为各种电信或工业接口提供高水平的保护，远远超过单级组件解决方案的处理能力。

单独的 TVS 二极管对低电平瞬变有效。它会将瞬态信号驻留至其峰值脉冲电流，但无法处理高于此值的情况。随着 TVS 二极管暴露的入射瞬态电压增加，超过电流限制的担忧也随之增加。使用串联电阻保护 TVS 会导致电压降过大，并且在通信的情况下会大大缩短环路距离。

图 1：最大化 HV 瞬态保护需要三级设计。

HSP使用MOSFET半导体技术构建。当串联在GDT和TVS之间时，HSP监控流经线路的电流。如果电流超过预设水平，则该装置触发并提供对高电压和电流的屏障。触发电流范围为150至500 ma，峰值冲击电压耐受能力为650至850 V。Bourns的HSP设备称为TBU-DT系列。它们是一种可复位装置，工作时间约为1μs。正常串联电阻为5至10Ω. 操作时，该装置通常将线路电流限制在1mA以下。

当暴露于快速上升瞬态事件时，较快的TVS二极管将首先开始箝位，并通过HSP传导电流。一旦超过了HSP的电流阈值，它将保护TVS二极管和下游组件。它还允许GDT触发并获取浪涌事件产生的大部分电流。其结果是一种极快的保护，消除了单个保护技术的缺陷。

设计工程师可以利用此解决方案来提高浪涌和瞬态保护水平–HSP限制通过能量，TVS二极管将信号保持在最大限度内，主GDT保护HSP设备免受过度瞬态电压的影响。

图2：Bourns扁平低剖面GTD装置。

空间约束设计的鲁棒保护

随着设备的缩小，PCB 上的空间限制增加。GDT 通常采用直径为 8 毫米的圆柱形封装。最近，一种具有扁平磁盘封装的初级 GDT 保护的新设计已经面世。与标准 8 mm 设备相比，Bourns FLAT GDT 可节省 75% 的体积，并提供水平或垂直安装版本（图 2）。2 电极器件有五个版本，具有 90 至 420 V DC 火花放电，额定为 10,000 Arms，持续时间为 8/20 μs，可用于十次以上的操作。

审核编辑 黄昊宇