用于电源、继电器和螺线管的协同式线路保护

在各种新型先进设备上实施协同式电路保护可有助于提高设备可靠性、减少元器件数量,并使其符合严格的安规要求。

　　协同式方法能够帮助保护电源、继电器和螺线管,避免因线路故障或过载造成电流增大以及尖峰电压或暴露在稳态过压状态带来的危害。

　　SMPS设计考虑因素

　　开关电源(SMPS)可满足消费类电子对尺寸、重量以及节能的需求,因此在很多应用包括白家电中正替代线性稳压器。但因为SMPS缺乏过去设计方案所具有的固有电阻,因此它们通常需要更为可靠的线路保护。

　　高分子聚合物正温系数(PPTC)过电流保护器件可以帮助制造商满足UL60950-1/LPS (有限电源)对SMPS的要求,并提高设备的安全性与可靠性。该器件虽然不能防止故障的发生,但却能快速反应,将电流限制到一个安全的水平,以使下游元件免遭损坏。另外PPTC器件尺寸较小,可以很容易地用在空间受限的应用中。

　　PPTC器件在正常工作电流下具有较低阻抗值,而当处于过电流状态时则会跳升到高阻状态,电阻增加将使流过的电流降低,从故障状态变为较低的稳态,从而帮助保护设备电路。器件将保持锁止状态直到故障解除,当电路电源回到正常后,PPTC器件将会复位并使电流恢复,使电流回到正常工作状态。

　　如图１所示,PolySwitch™ PPTC器件可以串联在电源输入端,帮助保护因电路短路、线路过载或者用户误操作造成的损坏。另外,在输入两端放置金属氧化物变阻器(MOV)还可提供过压保护。

图１ 开关电源常用电路保护设计

　　PolySwitch也可以放在MOV的后面,很多设备制造商喜欢在保护电路里将可复位PolySwitch器件与上游失效安全保护结合在一起,此例中R1作为镇流电阻与保护线路结合起来应用。

　　螺线管设计考虑因素

　　螺线管是一种电磁器件,它由线圈、线框、电枢以及支撑架组成。线圈和支撑架在线框上由机械固定,电枢则插在线圈中。当线圈受到电流激励时将产生磁力,把活塞拉入线圈并固定在支撑架上。

　　螺线管受到激励后,电枢行程终端位置由一个传感器检测,传感器将电枢位置信息反馈给系统电路,以关闭螺线管电源。如果传感器失灵,造成电枢没能拉入,间歇性工作的螺线管将产生大量热并可能会失效。

　　将PPTC器件与MOV组合在一起安装于AC输入的初级,可以保护过流与过压失效造成的损坏。与一次性熔断丝不同,可复位PPTC器件还能保护因失效造成温度升高而只有轻微电流变化带来的损坏。

　　某些过载情况也会导致MOV保持夹紧状态并继续导电,这将最终造成器件温度过高而失效。此时可将PPTC器件与MOV器件串联并靠近以便其温度接近,由于MOV将热传递给PPTC器件,PPTC器件参数变化加快,限制了流过MOV的电流,这样MOV可在更大过载状态提供保护。

　　这一技术可使设计人员利用PPTC器件的温度响应,并取代电路中其他热保护元件。PPTC器件这里不仅具有两种功能,而且还是一种完全可复位方案。

　　螺线管失效最常见的原因是机械出现堵塞,可能是螺线管受到脏物的污染,或者有碎片卡在电枢和线圈内壁之间,阻碍了正常运动。其他问题包括未对准、弹簧损坏或者力量方向相反。

　　这些情况都可能导致流过螺线管的电流不变而线圈温度升高,最终烧掉线圈的绝缘层和线路。如图2a和2b所示,在正常情况下螺线管每个周期线圈温度都会升高,图2c显示了过温故障如何导致线圈绕组被烧掉,图2d则显示一个插入到线路中的PolySwitch器件在升到120℃ 时限制IIN使线圈温度逐渐降低以保护线圈免受损坏。

图2 PolySwitch器件通过限制线圈电流防止过流/过温造成的损坏

　　继电器设计考虑因素

　　继电器经常用在消费类电子设备中以较小信号电平控制大电流和高电压的场合,或者用于切换必须与控制电路隔开的电流。继电器最基本的部分是线圈、电枢和触点。将继电器接入电路后,电流将在继电器线圈中产生磁场,然后磁场作用于电枢使得继电器输出所连接的触点接通或者断开。

　　过高的电压或者电流可能导致继电器损坏,一个常见的问题是继电器断开感性负载的电流时产生的尖峰电压。如果尖峰电压足够大超过继电器触点额定电压,触点就可能被损坏(V = Ldi/dt),这一损坏可能是突然的,也可能是缓慢的,经过多年的工作后出现。

　　另外,当触点断开电流断开时,如果流经触点的电流过大也会造成损坏。过大的电流与电压还会损坏继电器线圈。如果继电器线圈设计为在正常工作状态下只有很短的激励时间,那么正常工作电流下如果偶尔激励时间延长也会损坏线圈。

　　图3显示了一个常见的继电器保护线路。一个PolySwitch器件与继电器线圈串联,以便在出现故障或者偶尔过载时限制电流。该图还显示了PolySwitch与继电器触点串联的情况。

图3 典型的过流/过压继电器保护线路

　　选择PPTC器件时,其额定电压等于或大于最大可能电压是非常重要的,同时其保持电流也要等于或大于正常工作状态下最大稳态电流。另外,还必须考虑最高环境温度,因为环境温度升高会导致保持电流下降。

　　图3还显示继电器触点并联了一个MOV或者MLV,其额定参数取决于电压和最大浪涌电流,重要的是所选择的器件不会在正常峰值电压下传导大电流。MOV参数包括最大允许AC或DC电压,每个MOV和MLV器件也有最大额定浪涌电流,确定额定浪涌电流的常见标准做法是采用8/20微秒波形(上升时间为8微秒,下降到峰值一半的时间为20微秒)。随着变阻器尺寸的增加,8/20微秒浪涌电流额定值也会升高,MOV或MLV也可与继电器线圈并联,如图3所示。

　　总结

　　协同式过压/过流线路保护可以帮助设计人员减少元器件数量,设计更加安全和可靠的产品,并符合法规的要求,降低保修和维修成本。PPTC器件具有可恢复功能和低线路阻抗特性,其额定电压为240VAC,允许最大电压达265VAC,并可安置在AC输入线路上。MOV和MLV器件可帮助制造商符合系列安规要求,并提供大电流处理能力和能源吸收性能以及对于瞬时过电压的快速响应。