【应用】使用CALY Technologies CLD改善π保护电路性能的解决方案

时间： 2020-09-15 来源：CALY Technologies

CALY Technologies的旗舰产品：电流限流装置（CLD），能提供良好的ESD、浪涌和雷击保护。本文提出了一个案例研究，将CLD用于浪涌和雷击的π保护电路中，以及如何提高保护电路的整体性能并增加电压钳位设备的可靠性（使用寿命）。由于本示例考虑了工业通信线路（RS-422 / 485、4-20mA，以太网，音频/视频）的防雷措施，因此选择了典型的1.2 / 50µs-8 / 20µs波形来说明本示例。

电涌保护背景

ESD和雷击事件需要适当的拓扑以确保精确的电路保护。在涵盖从汽车前端到射频前端的大型应用领域的几种标准中定义了浪涌电平，脉冲持续时间和波形，其中最常见的是IEC 61000-4-2，IEC 61000-4-5，RTCA / DO-160第22节，Telcordia GR 1089-CORE。脉冲幅度级别可以达到几千伏或安培，而持续时间则可以达到几毫秒。

对于电压浪涌，可以使用非线性器件（瞬态电压抑制器（TVS），压敏电阻（MOV））作为电压钳位元件来制作一级保护电路（见图1）。但是，此类设备的设计不能在ESD和雷击事件期间做出足够快的反应（压敏电阻）或维持大功率耗散（TVS）。

图1：保护电路中常用的钳位装置

“辅助”保护

有两种方法可以减少钳位装置中的耗散能量：

•通过降低峰值功率水平

•通过减少该设备的导通时间。

这两种可能性会导致不同的器件组合——图2描绘了这两个电路。

降低峰值功率电平意味着TVS两端的电压较低。在这种情况下，TVS可以与压敏电阻并联。压敏电阻的额定电压应与TVS相同或稍低。这样，压敏电阻的软限幅电压有助于平衡压敏电阻和TVS之间的感应浪涌电流，从而降低后者的功耗。选择压敏电阻电压/功率额定值时必须小心，以使压敏电阻和TVS之间达到最佳电流分配。这种拓扑称为压敏电阻辅助TVS。

如果优先选择减少TVS导通时间的替代方法，则可以添加与TVS并联的触发器件。发生浪涌时，此附加器件必须尽快使TVS两端的电压短路（通常为几µs）。实际上，对于该功能，可以使用有源电路，例如带有晶闸管的撬杠/折返电路，也可以使用无源器件，例如气体放电管（GDT）。

图2：压敏电阻辅助TVS（左）和GDT辅助TVS（右）

在以上介绍和图2所示的两种情况下，仍然存在一个问题：即使压敏电阻的额定电压接近TVS或气体放电管很快触发，TVS也无法很好地保护其免受浪涌引起的过电流的影响。因此，确保在浪涌期间适当的TVS偏置的器件将提供此问题的解决方案。

适当偏置TVS：π保护电路

在下文中，将考虑GDT协助的TVS案例。图3描绘了受到电压浪涌影响的典型GDT行为。

图3：典型的GDT波形

在浪涌事件开始时，由于内部触发过程需要一些时间才能完成，因此GDT在最初的几微秒内无法触发。在此阶段，浪涌电压直接施加到TVS，并且没有电流限制，这会导致TVS的耗散功率非常高。当GDT触发时，TVS电压会降低到GDT电弧电压，因此不会在TVS中消耗更多的功率。

为了防止TVS中消耗大量功率，通常将一个电阻与之串联使用，从而提供众所周知的π保护电路（图4）。

图4 π保护电路

图5显示了在电路上施加浪涌（输出处于开路状态）时的典型波形和导通阶段。

图5：浪涌事件期间π保护电路中的典型波形和导通阶段

TVS钳位电平随电压或dV / dt保持不变，但GDT触发电压会变化，尤其是在dV / dt时。该参数通常在GDT数据手册中根据不同的压摆率指定。这种变化会改变GDT的触发时间：压摆率越高，GDT的触发时间越短。

寻找低插入损耗？ CLD的好处

上面已经表明，TVS可以被视为准理想参考电压：在钳位工作和恒定电流下，它是一个电压源。根据基尔霍夫定律，最好的方法是将TVS与限流装置关联，这也是实现最尖锐的电压钳位行为的正确方法。

实际上，CLD作为电流源，其导通状态的电阻值低于饱和电流。当处于饱和状态时，流经CLD的电流ISAT几乎不受其两端电压的影响。因此，器件的等效电阻呈现非线性行为，随施加电压的增加而增加。图6描绘了CLD的典型IV特性。

图6：CLD（蓝线）和电阻器（红线）的典型IV特性

因此，当替换π保护电路中的电阻器时，CLD减少了损耗并确保了TVS中的强电流限制，从而导致了出色的电压钳位行为。图7显示了π保护电路的改进版本。

图7 使用CLD的π保护电路改进版本

总结

在本文中，CALY Technologies演示了使用CLD的π保护电路的新配置，该配置显着增强了该知名电路的性能.与基于电阻的π保护电路相比，使用CLD的电路具有更低的插入损耗和更高的保护水平。实际上，通过在钳位电压元件（TVS）中保持低且恒定的耗散功率，钳位性能以及可靠性得到了改善。

另外，可以使用钳位电压较小的TVS。使用较小的TVS（较低的寄生物，尺寸，成本，重量）还可以改善该电路的频率响应，这对于保护互连的通信系统免受雷击等浪涌特别有吸引力。

基于CLD的π保护电路还可以有效地保护电流敏感电路，例如跨阻放大器，电流传输器，4-20mA传感器网络等。

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