在電源應用過程中,為保證電源的供電穩定與電源的安全,常常會設計外圍保護電路以確保電源使用過程中不被損壞。外圍電路包括浪涌沖擊保護電路、防靜電保護電路、EMI濾波電路、脈沖群抗擾電路。本文將對浪涌沖擊保護電路中使用的壓敏電阻MOV的使用和選型方法展開論述。
一、什么是壓敏電阻?
壓敏電阻,即MOV(Metal Oxide Varistors),是一種非線性伏安特性的限壓型保護器件,其本體是由氧化鋅顆粒組成的矩陣結構,顆粒之間的晶界類似雙向PN結的電氣特性。
壓敏電阻的應用場合:壓敏電阻器常常與被保護器件或裝置并聯使用,在電路承受過壓時進行電壓鉗位,吸收多余的電流從而實現對后級電路的保護。
壓敏電阻的主要特性:當兩端所加電壓在標稱額定值以內時,其電阻值幾乎為無窮大,處于高阻狀態,漏電流低至幾十微安;當兩端所加電壓稍微超過額定值時,其電阻值急劇下降,立即處于導通狀態,工作電流增加幾個數量級,反應時間低至納秒級。當兩端所加電壓超過其zui大限制電壓時,它將完全擊穿損壞,無法自行恢復。
正常使用時,壓敏處于漏電流區,受浪涌沖擊時進入非線性區泄放浪涌電流,一般不能進入飽和區。當壓敏電壓較低時,壓敏工作于漏電流區,呈很大電阻,漏電流很小;當電壓升高到非線性區,電壓變化不大,電流在相當大范圍內變化,限壓特性較好;當電壓再升高,壓敏進入飽和區,呈現很小的線性電阻,電流很大,時間一長壓敏會過熱而燒壞甚至炸裂。因此,壓敏電阻不能長期承受1mA的電流。
壓敏電阻的特點:
(2)工作電壓范圍寬(主流18-1800V,分若干檔),根據市場主流,主要如下:
●5D——V1mA:18~750V ●7D——V1mA:18~820V
●10D——V1mA:18~1100V ●14D——V1mA:18~1800V
●20D——V1mA:18~1800V ●25D——V1mA:18~1800V
(3)對過壓脈沖響應快(幾至幾十nS);
(4)耐沖擊電流的能力強(可達100-15000A),根據市場主流,主要如下:
●5D——V1mA=18~56V時,I=100A;V1mA=68~750V時,I=400A
●7D——V1mA=18~68V時,I=500A; V1mA=82~820V時,I=1750A
●10D——V1mA=18~68V時,I=500A;V1mA=82~1100V時,I=2500A
●14D——V1mA=18~68V時,I=1000A;V1mA=82~1800V時,I=4500A
●20D——V1mA=18~68V時,I=2000A;V1mA=82~1800V時,I=6500A
●25D——V1mA=18~68V時,I=4500A;V1mA=82~1800V時,I=15000A
(5)漏電流小(低于幾至幾十uA);
(6)電阻溫度系數小。
二、壓敏電阻命名規則
例如471KD14:標稱電壓為470VDC,公差為±10%(即動作電壓在423~517VDC之間),形狀為圓形,直徑14mm。
三、規格計算
(1)步驟一:壓敏電壓(VARISTOR VOLTAGE)計算
V1mA=1.5Vp=2.2Vnom (1)
式中,Vp為電路額定電壓的峰值,Vnom為額定交流電壓的有效值。
例如:某客戶使用金升陽LHE60-20B12電源產品,額定輸入電壓為220VAC,則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.5×1.414×220V=476VDC,V1mA=2.2Vnom=2.2×220V=484VDC,因此壓敏電阻的擊穿電壓V1mA可選在470-480V之間,如V1mA選470V,對應471KDxx壓敏。
(2)步驟二:zui大允許電壓(MAXIMUM ALLOWABLE VOLTAGE)計算
此電壓分交流(VACrms)和直流(VDCr)兩種情況:
VACrms≈0.64V1mA (2)
VDCr≈0.83V1mA (3)
還是以步驟一的例子,則計算步驟如下:
V1mA=470V,則VACrms≈0.64V1mA =300VAC,VDCr≈0.83V1mA =390VDC。而471KDxx壓敏對應的VACrms=300V,VDCr=385V,步驟一計算出的參數驗證可行。
(3)步驟三:通流容量(I(8/20us))計算
zui大通流量與壓敏電阻直徑成正比。在選擇壓敏電阻直徑時,要確定被保護電路的雷擊浪涌等級,以此來選擇壓敏電阻的zui大通流量。
對壓敏進行沖擊試驗時,隨著所進行的沖擊次數的增加,每次所施加的沖擊電流要相應減小。通常,現行的技術規格書中都給出壓敏沖擊1次的I值。因此,一般我們在選擇壓敏時,其通流容量要按壓敏浪涌壽命次數定額曲線中沖擊10次到100次來計算,其實際通過的浪涌電流約為zui大沖擊通流量的30%左右(即0.3I)。
如果不知道浪涌等級所要求的通流量,可按照下圖以壓敏兩端的差模電壓進行計算。
例如:浪涌差模電壓Vtest=2KV,壓敏電阻471KDxx zui大限制電壓VCLAM=775V則通流量計算:
I P= (Vtest - VCLAM) / 2 = 612.5A (4)
I=IP/0.3=2042A (5)
471KD10壓敏對應的通流量(看壓敏規格書Withstanding Surge Current列)I為2500A,大于2042A ;而471KD07壓敏對應的通流量I只有1750A;故步驟一的an例中,壓敏電阻建議選擇10D以上,如471KD10。
四、關鍵指標
1)標稱壓敏電壓(V1mA):指通過規定持續時間的脈沖電流(一般為1mA 持續時間一般小于400mS)時壓敏電阻器兩端的電壓值;
2)zui大限制電壓(VCLAM):即殘壓,指在壓敏能承受的zui大脈沖峰值電流Ip及規定波形下壓敏電阻兩端電壓峰值;
3)通流容量(IP ):指在規定的條件(規定的時間間隔和次數,施加標準的沖擊電流)下,允許通過壓敏電阻器上的zui大脈沖(峰值)電流值;
4)漏電流:指在25℃條件下,當施加zui大連續直流電壓時,壓敏電阻器中流過的電流值;
5)等級電壓:指壓敏電阻中通過8/20等級電流脈沖時在其兩端呈現的電壓峰值。
五、注意事項
1)響應時間:壓敏電阻的響應時間為ns級,比氣體放電管快,比TVS管稍慢一些;
2)結電容:壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千pF的數量級范圍,很多情況下不宜直接應用在高頻信號線路的保護中,應用在交流電路的保護中時,因為其結電容較大會增加漏電流,在設計防護電路時需要充分考慮;
3)通流容量:壓敏電阻的通流容量較大,但比氣體放電管小;
4)電路位置:壓敏電阻一般應用在產品的輸入端L線和N線之間,置于保險絲之后,熱敏電阻之前;
5)殘壓:壓敏電阻的殘壓(即zui大限制電壓)會直接施加到產品的后端電路,殘壓過大可能會導致后端器件損壞(如整流橋或者大電容),因此設計時要保證殘壓不超過后級電路能承受的zui大電壓;
6)在電路設計時,輸入壓敏電阻的投影要遠離控制IC,防止浪涌測試時IC受干擾,導致輸出電壓在浪涌測試時出現掉電。
六、壓敏電阻的測量
單獨測量:通常壓敏電阻具有良好的非線性,即阻值隨所加電壓的增加而減少,且具有雙向電流特性。測量時,將萬用表置于R×1k擋,測其兩引腳之間的正反向絕緣電阻,均為無窮大,否則說明漏電流過大。如果所測電阻過小,說明壓敏電阻已損壞,不能使用。可以用數字萬用表測量壓敏電阻。
電源使用中,外圍電路是必不可少的存在,選擇適合的壓敏電阻MOV對浪涌沖擊保護電路尤為重要。那外圍電路還有哪些關鍵點需要著重注意的呢?歡迎關注金升陽科技公眾號,持續更新!