聯合式電路保護防止損壞DVB網絡設備

業(yè)界各標準組織正在就擴展當前的DVB技術規(guī)格展開密切合作。與此同時，網絡交換和傳輸設備制造商還必須滿足行業(yè)安全方面的要求，如由ITU-T頒布的安全要求。ITU-T的推薦標準規(guī)定，要采用過電流和過電壓保護，以達到電信基礎設施和客戶方設備能夠安全運行的目的。

PolySwitch聚合物正溫度系數(PPTC)器件和SiBar浪涌保護器件(TSPD)已經在全世界范圍內廣泛應用，它們能夠幫助網絡設備設計人員和制造商滿足安全和性能方面的要求。PolySwitch器件能夠在局端交換設備、模擬和數字式線路卡、VoIP設備、DSL和ISDN調制解調器以及用戶端設備中提供過電流保護功能。PPTC器件的可復位功能、較小的體積和低阻值的特性使其很適合這些方面的應用。

圖1 網絡設備的聯合式過電流/過電壓電路保護系統(tǒng)


SiBar TSPD器件的設計旨在幫助通信網絡設備制造商滿足ITU-T K.20和K.21推薦標準所要求的過電壓保護水平。TSPD器件也可與其它器件聯合組成次級電路保護器，包括PolySwitch PPTC器件。TSPD的主要優(yōu)勢在于小巧的體積、導通狀態(tài)下較低的功耗以及精確的“轉折”電壓。

圖1所示為一套聯合式過電流/過電壓保護系統(tǒng)，供網絡設備制造商在滿足ITU-T K.20要求時使用。SiBar TSPD器件有助于保護敏感的電子設備，使其不受快速過電壓事件的影響，其中包括雷擊瞬態(tài)事件。線路饋入電阻器可以在調節(jié)通信線路上的穩(wěn)態(tài)電流時使用。

PolySwitch器件提供了某些異常運行條件下的電流限制功能，如電力線搭碰和電力線感應現象。這種器件具有兩個優(yōu)點：對于電壓低于SiBar器件的轉折電壓的故障，這種器件可提供能夠保護系統(tǒng)的可復位式的電流限制功能；對于高于SiBar器件轉折電壓的故障，這種器件可提供能夠保護SiBar器件本身的可復位電流限制功能。此外，PPTC器件的基本電阻可以進行選擇，從而限制超出SiBar器件轉折電壓的瞬態(tài)故障中的電流。

在聯合式保護方案中，這種器件的可復位功能有助于改善最終用戶的系統(tǒng)使用時間，減少運行和維修成本，并增強用戶的整體滿意度。

圖2 保持電流和動作電流作為溫度函數的示例

 
PPTC器件能夠提高

電信設備的可靠性
PolySwitch器件用于保護敏感的電信網絡設備，保證其不會由于過電流故障而被損壞。在發(fā)生這種故障時，PPTC器件的電阻將從其基本電阻值上升到一個更高的電阻值，從而有效地隔離故障。

對于200~350mA之間的電流，典型的250V PPTC器件將在線路接口發(fā)生損壞前動作，而其它解決方案，如抗雷擊熔斷器，不會在出現超過500mA的過電流故障前跳閘，從而導致大電流流經用戶的線路接口卡(SLIC)。

電信應用中要求熔斷器采用很高的電流額定值。采用尺寸過大的熔斷器所產生的后果之一是，有可能在故障條件下出現很高的表面溫度，導致設備受損或出現不安全狀況。在發(fā)生超過系統(tǒng)運行電流的故障，而且這個電流沒有高到足以導致熔斷器及時動作的情況下，抗雷擊熔斷器有可能達到不符合要求的溫度值。

在給定的故障電流下，PPTC器件的動作快于表面安裝的熔斷器。器件的動作時間會影響過電流保護器件的允許通過能量和表面溫度，這兩點均是在電路設計時要予以考慮的重要因素。

圖3  TSPD的原理圖

PPTC器件的工作原理

與傳統(tǒng)的熔斷器相似的是，PPTC器件能夠限制故障狀況下的大電流通過。但是，PPTC器件能夠在故障狀況排除或電源斷開后復位。

PPTC電路保護器件采用半晶體狀聚合物與導電性顆粒復合制造。在正常溫度下，這些導電性顆粒在聚合物內構成了低電阻的網絡結構。但是，如果溫度上升到器件的切換溫度(TSw)時，無論這種狀況是大電流造成的，還是由于環(huán)境溫度的上升造成的，聚合物內的晶體物質將會融化并成為無定形物質。在晶體相融化階段出現的體積增大會導致導電性顆粒在液力作用下分隔，并使器件的電阻值出現巨大的非線性增長。

典型情況下，電阻值將增加3~4個數量級。電阻值增加后能夠將故障條件下流經的電流數量降低到一個較低的穩(wěn)態(tài)水平，從而保護電路內的設備。在故障排除以及電路電源斷開以前，PPTC器件將保持在閂鎖(高阻值)狀態(tài)，而故障排除以及電路電源斷開時，導電性復合材料冷卻下來并重新結晶，將PPTC恢復成電路內的低阻值狀態(tài)，受影響的設備也恢復到正常的運行狀況。

圖4  TSPD器件一側的橫截面圖


PPTC器件在電路中作為串聯部件使用。此器件較小的體積有助于節(jié)省寶貴的板卡空間。而且與要求用戶能夠接觸到的熔斷器相反，PPTC器件的可復位功能允許其放置在無法接觸到的位置。由于PPTC器件屬于固態(tài)器件，所以也能耐受機械沖擊和振動，從而在廣泛的應用范圍內提供可靠的保護能力。

雖然PPTC器件經常被稱為“可復位的熔斷器“，但它屬于用于限制電流的非線性熱敏電阻器。熔斷器屬于電流跳閘型器件，而一旦熔斷器熔斷，它所在的電路即被損壞，熔斷器上再也無法流過電流。這種電氣中斷(或斷路)是永久性的。一旦PPTC器件動作，由于它需要有一個很低的焦耳加熱泄漏電流或外部熱源來保護其已動作狀態(tài)，所以有一個很小數值的電流通過。一旦故障狀況被排除，這個熱源即被消除。這時器件就可以恢復到低阻值狀態(tài)，電路也恢復正常。

圖5  TSPD器件的等效電路圖

在恢復到正常運行狀態(tài)會造成潛在的安全隱患或設備上的器件在發(fā)生故障后應當進行維護的狀況下，采用熔斷器或斷路器較為合適。例如，在垃圾處理裝置中推薦采用一次性的熔斷器，因為此裝置的刀片在電動機突然恢復運行時有可能導致嚴重的傷害事故。另一方面，可復位的PPTC器件主要用于對需要立刻恢復運行的電信和網絡設備進行保護。

最后，設計人員必須決定自己設計的應用要求采用哪種水平的保護。決定是否采用某一具體保護器件的最好方式是進行一次全面的系統(tǒng)測試。

PPTC器件在設計中

要考慮的事項
電路中需要PPTC器件時，有一些關鍵性的參數要予以考慮，包括器件的保持和動作電流、環(huán)境條件對器件性能的影響、器件的復位時間、動作狀態(tài)下的泄漏電流，以及自動或手動復位條件。

保持和動作電流

圖2所示為PPTC器件的保持和動作電流作為溫度函數的特性。在A區(qū)，PPTC器件將動作以保護電路。在B區(qū)，PPTC器件能夠讓電路工作在正常狀況下。在C區(qū)，器件既有可能跳閘，也有可能保持在低阻值狀態(tài)下，這要取決于具體的器件電阻值和環(huán)境。

由于PPTC器件可以在溫度作用下動作，所以在器件周圍有任何溫度變化都將影響其性能。溫度增加時，器件動作所需的能量較少，因此保持電流(IHOLD)降低。

環(huán)境對器件性能的影響

PPTC器件的熱傳導環(huán)境可以對器件的性能產生顯著的影響。通常，通過增加器件的熱傳導性能，其功耗、動作時間和保持電流均將有相應的增長。如果從器件發(fā)出的熱傳導量下降，則會出現相反的現象。此外，器件周圍熱質量的變化也將改變器件的動作時間。

PPTC器件的動作時間定義為在故障電流開始出現至器件動作之間的時間。動作時間取決于故障電流和環(huán)境溫度。

動作事件是由于散熱速率低于熱量產生的速率而造成的。如果所產生的熱量大于散失的熱量，器件的溫度將增加。溫度上升的速率和讓器件跳閘所要求的總能量取決于故障電流和熱傳導環(huán)境。

在正常的運行條件下，器件所產生的熱量和器件散失到環(huán)境中的熱量處于平衡狀態(tài)。

I2R = U(T-TA)，其中，I = 流經器件的電流,R= 器件電阻值,U= 綜合熱傳導系數,T = 器件的溫度,TA= 環(huán)境溫度。

電流或環(huán)境溫度的上升，均將導致器件達到電阻值迅速上升的溫度。電阻值的這種巨大變化將降低流經電路的電流，保證電路不被損壞。

保持電流器件能夠在不限時間的情況下，保持不從低阻值狀態(tài)轉入高阻值狀態(tài)的最高穩(wěn)態(tài)電流。保持電流可以根據熱傳導環(huán)境進行相當精確的定義，并且會受到各種設計選擇的影響，例如：

* 將器件放置在發(fā)熱源附近，例如功率場效應管、電阻器或變壓器，從而導致保持電流、功耗和跳閘時間減少。
* 增加與器件實施電氣接觸的引線大小，導致熱傳導量的增加和較大的保持電流、較慢的動作時間和較高的功耗。
* 在將器件連接到電路板前,應先將器件連接到較長的線上，增加器件的引線長度，以實現熱傳導量的減少，并降低器件的保持電流、功耗和動作時間。

器件復位時間

在動作事件發(fā)生后，電阻值可以迅速恢復到穩(wěn)定值，而絕大多數的恢復均在前幾秒內發(fā)生。與其它電氣屬性一樣，電阻值的恢復時間取決于器件的設計和熱環(huán)境。由于阻值恢復與器件的冷卻存在關系，熱傳導量越大，恢復的速度越快。

動作狀態(tài)下的泄漏電流

當PPTC器件閉鎖在其高阻值狀態(tài)下時，能夠流經器件的電波數量是故障電流的一個分數。這個電流值可以采用下列公式計算出來：
I = PD/VPS，其中，I = 動作狀態(tài)下器件的泄漏電流,PD = PPTC器件的功率,VPS= PPTC器件兩端的電壓。

TSPD提供有效的

過電壓保護
過電壓保護器件有兩種類別，箝位和轉折，或急劇短路器件。金屬氧化物變阻器(MOV)和二極管的箝制型器件在運行中能夠讓電壓上升到設計好的水平。

轉折型器件具有一個優(yōu)于箝位器件的特點，即對于某個給定的故障電流，在TSPD內耗散的功率遠小于箝位器件內部耗散的功率。這是由于轉折器件兩端的電壓更小。這樣就可使用小尺寸的過電壓器件，并使電容值降低，而這正是高速通訊設備所需的特性。

在電壓超過器件轉折所需的擊穿電壓時，器件將形成一個低阻抗路徑，從而有效地對過電壓狀況進行短路。器件將在電流降低到其保持額定值以下前保持在這種低阻抗狀態(tài)。在過電壓事件發(fā)生后，器件將恢復成高阻值狀態(tài)，實現正常的系統(tǒng)運行。

TSPD的設計和運行

TSPD屬于雙向芯片器件。這種器件的4個對稱分層如圖3所示。在其橫截面圖上，其放置方式可以簡化成如圖4和圖5所 示的兩個晶體管和一個P型電阻器的描述。在正常運行中，電壓加到兩個接線端上。

隨著從陽極至陰極之間的電壓增加，PNP晶體管中發(fā)生的雪崩擊穿讓電流能夠通過。不斷增加的雪崩電流從陽極通過PNP晶體管流動，隨后通過P電阻器流到陰極。P電阻器兩端的電壓對NPN晶體管施加讓其導通的偏壓。在NPN晶體管施加偏壓而導通后，PNP晶體管將迅速切換成導通狀態(tài)，導致器件出現轉折現象。由于PNP晶體管的集電極電流驅動著NPN晶體管的基極，以及與此類似的NPN晶體管的集電極電流驅動著PNP晶體管的基極，該器件處于閂鎖狀態(tài)下。

在運行過程中，在電壓超過規(guī)定的擊穿點時，該器件轉折成一個低阻抗路徑，有效地對過電流狀態(tài)進行短路。在流經器件的電流降低到規(guī)定保持電流以下之前，此器件均保持在這種低阻抗狀態(tài)。在過電壓事件過去后，器件將復位至高阻抗狀態(tài)，從而有可能恢復正常的系統(tǒng)運行。

TSPD在設計方面的

考慮事項
在TSPD器件選型時應當考慮以下的設計標準：
1. 決定所設計的器件必須滿足哪些行業(yè)的安全要求，以及為了滿足這些要求要采用什么類型的保護方式。
2. 擊穿電壓：決定器件在哪一點應當從高阻抗轉入到低阻抗，以保護負載。需要進行保護的最低電壓是多少,最大擊穿電壓必須小于此值。
3. 關斷狀態(tài)電壓：器件的最大額定運行電壓必須大于系統(tǒng)的持續(xù)運行電壓，這個值定義為峰值振鈴交流電壓加上直流電池電壓的總和。
4. 峰值脈沖電流：器件的峰值脈沖電流必須大于針對系統(tǒng)規(guī)定的最大浪涌電流。如果不是這樣，就有可能需要增加額外的電阻來減少脈沖電流，讓其處于器件的脈沖額定值范圍以內。典型峰值脈沖電壓值在相關電信標準的雷擊浪涌部分規(guī)定，例如Telcordia GR-1089 和FCC Part 68.
5. 保持電流：保持電流決定了過電壓保護器件將在保時“復位”或從低阻抗切換至高阻抗，從而讓系統(tǒng)恢復正常。該器件的保持電流必須大于系統(tǒng)的電源電流，否則它將保持在低電流狀態(tài)下。

結語

PolySwitch PPTC器件的低電阻、快速動作時間和小巧的特點有助于提高板卡面積較小的電子設備的可靠性。這類器件的可復位功能有助于電路設計人員選定和應用這類器件，以達到最大的運行效益。PolySwitch PPTC器件為一次性使用的熔斷器技術提供了一項可實現復位的替代方案。
Raychem SiBar TSPD器件用于幫助電信網絡設備制造商達到ITU-T K.20和K.21的過電壓要求。它的主要優(yōu)點是具有較小的形狀系數、較低的導通狀態(tài)功耗，以及準確的電壓箝制能力。這類器件的低電容值特性也讓它們適用于高數據傳輸率的電路中。
在采用聯合式的保護方案時，這些器件所具有的可復位功能能夠提高系統(tǒng)和設備的可靠性、降低服務和修理成本，并增加用戶的滿意度。■