电源技术中的一种ESD器件怎可能解决所有保护问题
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2020-11-07
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电源技术中的一种电源技术中的一种ESD器件怎可能解决所有保护问题器件怎可能解决所有保护问题
抗静电(ESD)器件有时被作为一种“万能保护方案”用于不同场合，这显然是一个误区。我们的目标是依照20-80%
的原则——一种商业运作规则，即“80%的销售额源于20%的客户”，利用一个简单电路(图1)解决大多数应用中的
ESD保护问题。 该电路取自一个工厂的逻辑控制单元(PLC)系统，类似电路还可用于电信和消费类产品。
例如，1913电话手册中讨论的避雷器ESD保护装置。金属火花隙可以完成同样功能，但由于它们易溶化，需要
频繁更换，成本相对较高。比较好的选择方案是碳砖，即使碳砖表面会变成粉末脱落并导致短路。典型应用中
在碳砖之间加上0.005至0.01英寸的云母片，进行隔离。 图1
抗静电(ESD)器件有时被作为一种“万能保护方案”用于不同场合，这显然是一个误区。我们的目标是依照20-80%的原则
——一种商业运作规则，即“80%的销售额源于20%的客户”，利用一个简单电路(图1)解决大多数应用中的ESD保护问题。
该电路取自一个工厂的逻辑控制单元(PLC)系统，类似电路还可用于电信和消费类产品。例如，1913电话手册中讨论的避
雷器ESD保护装置。金属火花隙可以完成同样功能，但由于它们易溶化，需要频繁更换，成本相对较高。比较好的选择方案
是碳砖，即使碳砖表面会变成粉末脱落并导致短路。典型应用中在碳砖之间加上0.005至0.01英寸的云母片，进行隔离。
图1. 20-80% ESD保护电路
图1中，可以在A、B处分别串联一个保险丝，系统发生故障时，例如市区电话线接触到600V的电车线揽时，保险丝将熔
断。图中C1可以用碳砖电弧保护器替代，碳砖在发生打火时将吸收很大电流，使保险丝熔断。把低熔点金属垫片嵌在碳砖
内，即使保险丝没有熔断碳砖也会溶化，提供一个电弧放电通路。这种情况并不常见，但在工厂中时常会在保护电路的输入端
出现意外的高压信号。为了限制高压，可以使用气隙放电避雷器、金属氧化物变阻器、二极管抑制器、三端可控硅开关元件以
及双端交流开关元件。
参照图1，我们可以把ESD器件分为三类：
● 限压器：气隙放电避雷器、金属氧化物变阻器、二极管抑制器、三端可控硅开关元件、双端交流开关元件、开关器件
等。
● 限流器：保险丝、断路器、热断流器。
● 上升时间抑制，通过减缓瞬变过程提供附加保护：电阻、电感、线圈、磁珠、电容等。
图1中，从左至右，用FB1替代R1能够充分发挥C1-D1的效用，通过限制输入电流为C1-D1提供保护。R1、R2也可以用精
密电阻替代(例如MAX5490)，对输入电压进行衰减，使其达到ADC所要求的0-5V的采样范围。表1列出了不同电压范围对应的
分压比。
选择电容时，应该注意其工作电压和自谐振频率。AVX.com和Kemet.com提供SPICE仿真模型，用于计算自激频率，电
路中的C1用于抑制射频干扰(RFI)。
也可以利用软件工具Solve Elec。SolveElec是一款电路仿真器，“Low pass filter.eln” 模拟一个RC滤波器。在R3-C2、
R4-C3分别放置一对低通滤波器(图1)，可利用SolveElec仿真两对滤波器的频响特性。
钳位二极管D1为5.6V瞬态电压抑制器(TVS)，由Vishay公司提供(VCUT0505-HD1)。D2-D3可以选用1N4148硅信号二极
管，正向导通电压为0.6V至0.7V。物理尺寸较大的二极管，如1N4001-1N4007能够承受更大电流。R1和R3用于限制输入电
流，输入电压由D1钳位(图1)，介于-0.6V和5.6V之间。D4-D5为肖特基二极管(BAT54或SD101)，正向导通电压介于0.25V至
0.3V。R1、R3和R4三个电阻等效为串联，具有一定的限流作用，输入电压钳位在-0.3V和5.3V之间。
选用电感时，用L1替代R4，构成一个2或3极点的滤波器。此时，假设下一级电路具有高阻输入，传感器、传感器引线、
R1和R3构成输入端接，R5为输出端接。L1配合C2或C3构成2极点滤波器，L1配合C2和C3构成3极点滤波器。连接一个L1的
并联电容(C4)将为3极点滤波器增添一个阻带零点。可以利用Nuhertz.com的免费滤波器设计软件计算元件值，将数值代入
SolveElec就可以得到完整的频响特性。
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