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开关电源中浪涌电压吸收元器件

2023-12-18 15:24:53

256 PCB工

开关电源中浪涌电压吸收元器件
开关电源通常具有较宽的输入电压，对输入电压的容差范围较大，同时根据浪涌尖峰电压峰值高，持续时间短的特点，通常采用能量吸收型方案对浪涌尖峰电压进行滤除，即采用能量吸收型器件对浪涌能量进行吸收，实现电压钳位，保护后级电路的目的。目前，常用的能量吸收型元器件主要有：气体放电管、压敏电阻、TVS二极管。
（一）气体放电管
其工作原理为：当两极电压足够大时，极间间隙击穿放电，由绝缘状态转换为导电状态，将两极间的电压钳位至一个低压范围内，一般在20V～50V之间。其优点是通流量较大;绝缘电阻高;极间电容小。并接在线路上基本不会对主回路造成影响。其缺点是体积较大;响应时间慢，通常为几百纳秒到几微秒之间;寿命相对较短，长时间使用后存在维护及更换的问题。
在电路设计时，除了关注气体放电管的直流击穿电压、冲击击穿电压、通流容量等参数外，其续流遮断也是一个重点考虑因素。如前所述，气体放电管在续流状态下的电压一般为20V～50V之间，不能直接应用于大于15V的供电线上。
（二）压敏电阻
其工作原理是利用压敏电阻的非线性特征，当电压尖峰出现在压敏电阻的两端时，压敏电阻将通过改变阻值，将电压钳位至相对固定的电压值，实现对后级电路的保护。
压敏电阻的响应时间为纳秒级，比空气放电管快，比TVS管稍慢;通流量较大，通常比气体放电管小，比TVS管大;压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的数量级范围，不宜直接应用在高频线路中，同时，较大的结电容也会增大漏电流，在交流防护中，需对漏电流进行充分考虑。压敏电阻也存在寿命较短的缺陷，长时间使用后存在维护更换的问题。
（三）TVS二极管
TVS管属于限压型器件，作用与压敏电阻类似，同样是利用器件的非线性特征将过电压钳位到一个较低的电压值。其主要参数有：反向击穿電压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容、响应时间。
TVS管的非线性特性比压敏电阻好，当通过TVS管的电流增大时，TVS管的钳位电压上升速度比压敏电阻慢，可获得比压敏电阻更理想的残压输出。在精细保护电路中，应用TVS管是比较好的选择。TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的，一般用于最末级的精细保护。TVS管可灵活选用单向或双向保护器件，在单极性的电路中，选用单向TVS管可以获得较低的残压。

在抗浪涌尖峰电压设计时，首先需对设备所需承受的浪涌尖峰电压所具备的能量大小进行分析;再根据设备能承受的最大工作电压，对输入电压的容差进行分析;最后根据上述分析结果选择一个合适的电压钳位点及相应的能量吸收性器件进行电路设计。通常，设备所承受的浪涌尖峰电压能量较低（电压峰值≤600V，持续时间≤10us）的电路可采用压敏电阻或TVS管进行单独设计;浪涌尖峰电压能量较高的电路，需采用气体放电管、压敏电阻、TVS管进行组合使用。在多种能量吸收型器件进行组合设计时，为避免器件之间响应时差导致防护电路损坏的情况发生，可在主回路中串入空心电感，调整不同器件之间的响应时间。
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