EMC学习笔记（二十）EMC常用元件简单介绍（二）

电磁兼容性元件是解决电磁干扰发射和电磁敏感度问题的关键,正确选择和使用这些元件是做好电磁兼容性设计的前提。由于每一种电子元件都有它各自的特性,因此在设计时要仔细考虑。接下来将讨论一些常见的用来减少或抑制电磁兼容性的电子元件和电路设计技术。

1.瞬态抑制二极管（TVS）

瞬态抑制二极管(TVS管)是由半导体硅材料制造的特殊二极管,它与电路并联使用,电路正常时TVS处于关断状态呈现高阻抗,当有浪涌冲击电压时能以nS 量级的速度从高阻抗转变为低阻抗吸收浪涌功率,使浪涌电压通过其自身到地,从而保护电路不受侵害。其特点是作用时间短、电压幅度高、瞬态能量大,瞬态电压叠加在电路的工作电压上会造成电路的“过电压”而损坏。

(1)瞬态抑制二极管主要特性参数
①最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM。
VWM 是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压,当这个反向电压加入 TVS 的两极间时,它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。

②最小击穿电压VBR。
VBR是TVS最小的雪崩电压。25C时,在这个电压之前,TVS是不导通的。当TVS 流过规定的测试电流时,加入 TVS 两极间的电压为其最小击穿电压 VBR。按 TVS的 VBR与标准值的离散程度,可把TVS 分为士5%VBR和±10%VBR 两种。对于±5%VBR,VWM=0.85 VBR;对于±10%VBR,VWM=0.81VBR。

③最大箝拉电压Ve 和最大峰值脉冲电流 Ipp。
当持续时间为 20μs 的脉冲峰值电流 Ipp流过TVS 时,在其两极间出现的最大峰值电压为 Vc。它是串联电阻上和因温度系数两者电压上升的组合。Vc、Ipp反映 TVS 器件的浪涌抑制能力。Vc 与 VBR 之比称为箝位因子,一般在 1.2~1.4。

④ 电容量 C。
电容量 C 是 TVS 雪崩结截面决定的、在特定的 1MHz 频率下测得。C 的大小与TVS 的电流承受能力成正比,C过大将使信号衰减。因此,C是数据接口电路选用TVS的重要参数。

⑤最大峰值脉冲功耗PM。
PM是TVS 能承受的最大峰值脉冲耗散功率。其规定的试验脉冲波形和各种TVS的 PM 值,查阅有关产品手册。在给定的最大箝位电压下,功耗PM 越大,其浪涌电流的承受能力越大;在给定的功耗 PM 下,箝位电压V。越低,其浪涌电流的承受能力越大。
另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的,器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%,如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的“累积”,有可能使TVS损坏。

⑥箝位时间 TC。
TC 是 TVS 两端电压从零到最小击穿电压 VBR的时间。对单极性 TVS 一般是 1X10-12秒;对双极性TVS一般是1X10-11秒。

(2)瞬态抑制二极管选用及注意事项

①确定被保护电路的最大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端”容限。

②TVS额定反向关断VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM 太低,器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。串行连接分电压,并行连接分电流。

③TVS的最大箝位电压V。应小于被保护电路的损坏电压。

④在规定的脉冲持续时间内,TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

⑤对于数据接口电路的保护,还必须注意选取具有合适电容 C 的TVS器件。

⑥根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS 阵列更为有利。

⑦ 温度考虑。瞬态电压抑制器可以在一55℃~+150C之间工作。如果需要 TVS在一个变化的温度工作,由于其反向漏电流ID 是随温度增加而增大;功耗随TVS 结温增加而下降,从十25℃~+175℃,大约线性下隆50%,击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此,必须查阅有关产品资料,考虑温度变化对其特性的影响。

(3)典型应用
TVS主要应用在485接口、232接口、USB接口、VGA接口等需要防静电以及热插拔端口。

2.气体放电管

气体放电管(GDT)是一个由密封于气体放电管介质的(不处在大气压力下的空气中)一个或一个以上放电间隙组成的器件,用于保护设备或人身免遭高压电压的危害。

(1)气体放电管主要特性参数
●直流击穿电压(100V/s)。
●冲击击穿电压(1000V/μus)。
●绝缘电阻。
●极间电容。

(2)气体放电管的选用及注意事项
①在快速脉冲冲击下,陶瓷气体放电管气体电离需要一定的时间(一般为0.2~0.3μs),因而有一个幅度较高的尖脉冲会泄漏到后面。若要抑制这个尖脉冲,一般采用两级保护电路来考虑,以气体放电管作为第一级,以TVS二极管或半导体放电管作为第二级,两级之间用电阻、电感或自恢复保险丝隔离。

②直流击穿电压Vsdc 的选择:直流击穿电压Vsdc 的最小值应大于可能出现的最高电源峰值电压或最高信号电压的 1.2 倍以上。

③冲击放电电流的选择:要根据线路上可能出现的最大浪涌电流或需要防护的最大浪涌电流选择。放电管冲击放电电流应按标称冲击放电电流(或单次冲击放电电流的一半)来计算。

④续流问题:为了使放电管在冲击击穿后能正常熄弧,在有可能出现续流的地方(如有源电路中),可以在放电管上串联压敏电阻或自恢复保险丝等限制续流,使它小于放电管的维持电流。

注意以下事项:
陶瓷气体放电管不能直接用在电源上做差模保护。
击穿电压要大于线路上最大信号电频电压。
耐电流不能小于线路上可能出现的最大异常电流。
脉冲击穿电压须小于被保护线路电压。

(3)典型应用
气体放电管主要应用在AC电源、DC 电源接口、485电路、视频接口、XDSL、以太网接口等需要防雷保护的接口。

3.半导体放电管

半导体放电管(TSS)也称浪涌抑制晶闸管，是采用半导体工艺制成的 PNPN 结四层结构器件,其伏安特性类似于晶闸管,具有典型的开关特性。TSS一般并联在电路中应用正常工作状态下TSS处于截止状态,当电路中由于感应雷、操作过电压等出现异常过电压时,TSS快速导通泄放电流,保护后端设备免遭异常过电压的损坏,异常过电压消失
后,TSS 又恢复至截止状态。

(1)半导体放电管主要特性参数
VprRM 反向截止电压(断态重复峰值电压):也称断态重复峰值电压,断态时刻施加的包含所有直流和重复性电压分量的额定最高(峰值)瞬时电压。IprM 反向最大漏电流(断态重复峰值电流):也称断态重复峰值电流,是指施加断态
重复峰值电压 VpRM 产生的最大(峰值)断态电流。Iu:维持晶闸管通态的最小电流。

(2)选用及其注意事项
选用半导体放电管应注意以下几点:

①最大瞬间峰值电流Ipp必须大于通信设备标准的规定值。如 FCC Part68A 类型的Ipp应大于 100A;Bellcore 1089 的 Ipp 应大于 25A。

② 转折电压 VBO 必须小于被保护电路所允许的最大瞬间峰值电压。

③半导体放电管处于导通状态(导通)时,所损耗的功率P应小于其额定功率Pcm，Pcm=KVTXIpp,其中K由短路电流的波形决定。对于指数波、方波、正弦波、三角波 K值分别为1.00、1.4,2.2、2.8

④反向击穿电压VR 必须大于被保护电路的最大工作电压。如在 POTS应用中，最大振铃电压(150V)的峰值电压(150X1.41=212.2V)和直流偏压峰值(56.6V)之和为268.8V,所以应选择 VBR 大于 268.8V 的器件。又如在 ISDN 应用中,最大 DC 电压(150V)和最大信号电压(3V)之和为153V,所以应选择VBR大于153V 的器件。

⑤若要使半导体放电管通过大的浪涌电流后自复位,器件的维持电流IH必须大于系统所能提供的电流值。即 IH(系统电压/源阻抗)。

(3)典型应用
半导体放电管主要应用在485电路、视频接口、XDSL、电话接口等需要防雷保护的接口。