直流保护电路设计及保护器件参数说明和选型

直流保护电路设计及保护器件参数说明和选型

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/huibei_wuhan/article/details/143807201

在工控产品设计中，电源保护电路的设计是一个常见且重要的问题。本文将通过深圳瑞隆源电子提供的参考电路，详细介绍气体放电管（GDT）、压敏电阻和瞬态电压抑制二极管（TVS）这三类保护器件的参数及选型方法。

直流保护电路示例

假设输入电压最大值为32V时，三个器件的规格分别为：

• TVS管：SMCJ33CA-TR
• 压敏电阻：20D470K
• GDT：2R075SA-5

以下是各器件的参数说明：

TVS管参数

压敏电阻参数

对于TVS管，需要注意的是要保证后续保护电路的击穿电压高于钳位电压。例如，SMCJ33CA-TR的钳位电压为53.3V，因此后续的电源绝对输入电压应高于此值。

压敏电阻的关键参数

1. 压敏电压（Varistor Voltage）：指在压敏电阻两端通1mA直流电流时的导通电压。本例为47V。
2. 最大允许使用电压（Maximum Allowable Voltage）：包含直流电压DC值和正弦交流电压有效值AC值。根据经验值，最大允许使用电压Uac=0.6U1mA，Udc=0.8U1mA。本例为38V。
3. 最大限制（钳位）电压（Maximum Limited Clamping Voltage）：在8/20us冲击下的电压，此时的电流即为IP，即脉冲冲击电流。
4. 通流容量（Withstanding Surge Current）：指压敏电阻能承受1.2/50us和8/20us的冲击电流峰值。本例为2000A。
5. 静态功率（Rated Wattage）：指压敏电阻在规定环境温度下可承受的最大平均功率。
6. 能量耐量（Energy）：指在压敏电阻两端施加10/100us或2ms脉冲波时，压敏电压变化不超过10%所能承受的能量。
7. 静态电容量（Typical Capacitance）：指压敏电阻在标准波形下的寄生电容值。

气体放电管的关键参数

1. 直流击穿电压（DC Spark-over Voltage）：在放电管两端施加上升电压时的击穿电压值。直流击穿电压min（ufdc）应大于等于线路正常运行电压峰值（Up）的1.8倍，即32V*1.8=57.6V，小于75V。
2. 冲击击穿电压（Impulse Spark-over Voltage）：在放电管极间施加快速上升电压时的击穿电压。
3. 耐冲击放电电流（Impulse Discharge Current）：在规定放电次数内，流经放电管放电间隙的冲击电流峰值。
4. 绝缘电阻（Insulation Resistance）：在放电管极间施加一定直流电压时测得的电阻值，通常在GΩ级别。
5. 结电容（Capacitance）：在一定频率条件下测得的极间电容值，通常为几个pF级。

另外两个容易被忽视的参数是辉光电压（Glow Voltage）和弧光电压（Arc Voltage），其中设计的关键是弧光电压。

GDT的续流问题

当过电压施加于GDT两端时，其两端电压上升至足以引发气体放电，从而导通GDT。随着通过GDT的电流增加，放电状态会从辉光放电过渡到弧光放电。这两种放电状态都需要一定的维持电压才能持续。在过电压消失之后，理想的GDT应该立即断开，以恢复正常的工作状态，然而在实际应用中，如果电路的工作电压高于GDT的续流电压（即弧光电压），GDT可能会继续导通，形成续流现象。GDT的持续导通会导致电路短路，进而产生较大的电流，最终可能导致GDT或其他电路元件过热甚至损坏。本例中弧光电压为10V，若只使用气体放电管则会续流。

为了避免上述续流问题，建议采取以下措施之一或结合使用：

1. 串联限流电阻：在GDT与电路之间串联一个适当的电阻，以限制通过GDT的电流，降低续流的可能性。
2. 使用附加保护器件：压敏电阻可以在过电压事件发生时与GDT共同工作，而在正常工作条件下能够确保电路不受GDT续流的影响。一般采用此种方式进行保护，即利用压敏电阻来对气体放电管进行续流断开。
3. 选择具有较高续流电压的GDT，使得在正常工作电压下不易触发续流现象。提高续弧电压，并不是不续流，工作电压足够大，还是会续流，要注意这点。