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DATE - 2022/01/12
工業電路瞬態干擾電壓保護 Industrial Circuit Transient Voltage Protection 介紹
工業電路瞬態干擾電壓保護 Industrial Circuit Transient Voltage Protection 介紹

電路保護的重要性
  • 產品的安全性越來越受到人們的重視,各種法規也明確要求了產品的防雷等級,如IEC61000-4-5,IEC61000-4-2等。某些出口產品必須滿足相應的安規認證,才能獲取相應的市場准入。
  • 隨著電路的集成化程度越來越高,各種晶片的小型化也導致了IC抗干擾能力逐漸減弱,電路的電磁相容問題更加突出。
  • 在電路中添加小成本的電路保護器件,可有效保護成本較高的主晶片等免受瞬態干擾電壓的損壞,從某種程度上降低了產品的開發成本。
  • 在電路中設計保護器件,可有效提高產品可靠性,降低產品故障發生率,減少維護及維修成本。
  • 雷電引發的損害往往對電子產品是致命的,在產品AC電源輸入端加入防雷保護器件,可降低產品因雷擊引發的損害,並同時保護人身安全。
  • 從客戶的角度來講,高品質的產品可提升產品市場競爭力。
浪湧防護原理

第一級保護 

第一級保護一般為最容易引入雷電的埠,如建築物進線口、AC電源輸入埠等,一般根據應用場合選取不同類型大通流保護器件。電源埠的第一級防護一般選用鉗位型大通流保護器件。信號埠的第一級防護一般採用開關型過壓保護器件,如GDT、SPG、TSS、信號類防雷模組(SPD)等。 

第二級保護

第二級防護與第一級防護類似,一般選用反應速度快鉗位電壓低的TVS、ESD等。
 
退耦元件 

由於第一級防護器件與第二級防護器件採用的過電壓保護器件種類不同,擊穿電壓大小不同,回應時間不同,所以要在兩級過電壓保護器件之間加退耦元件才能保證兩級過電壓保護器件協同工作。退耦元件要求有一定的阻抗才能起到退耦的作用。 
 
各類保護器件性能比較
 
特性/器件 鉗位型過壓保護器件 開關型過壓保護器件 
MOV Hyper-fix TVS ESD GDT SPG TSS
通流量(8/20μs) 較大 一般 較大 一般
回應速度 特快 特快 特快 較慢
電容 較大 較大 較大 較小 特小 特小 較小
直流擊穿電壓精度 一般 精準 精準 精準 一般 一般 精準
脈衝擊穿電壓

MOV、GDT和SPG具有較大的通流量,SPG最大達3kA,MOV可達70kA,GDT可達100kA,一般用於一級防護。 
TSS、TVS和ESD為矽基材料器件,半導體工藝製成,具有較精準的擊穿電壓,快速回應速度等優點,一般用於第二級電路防護。 
Hyper-fix為超大功率TVS,具有MOV和TVS的優點,如精准的擊穿電壓,超大浪湧衝擊電流,快速回應速度等,可替代MOV應用於AC電源輸入端作為一級防護。

 
​220AC輸入埠保護
 
差模保護採用MOV或TMOV,共模保護MOV/TMOV與GDT串聯到保護地。 GDT具有較大的絕緣阻抗,可減緩壓敏電阻的老化,延長MOV使用壽命。 
選用高壓GDT,也可幫助通過絕緣耐壓測試。


壓敏電壓(V1mA)選擇 :

壓敏電壓選擇時要考慮電源電壓波動、壓敏電阻電壓精度、壓敏電阻的老化係數等因素;壓敏電阻的壓敏電壓選取一般遵循如下選型公式,a的取值取決於電網的穩定程度,如電網波動較小可選取的小一些,如偏遠地區或工業應用環境電網波動較大,可選取的大一些。 
 
a: 電源波型係數,一般為0.1~0.5
VP: 電源輸入電壓峰值
b: 壓敏電壓公差,一般取0.1
c: 為元件的老化係數,一般取0.1
推薦器件選型
該方案中,MOV或TMOV任選其一。
MOV有85℃及140℃應用環境區分,耐高溫MOV具有更高的可靠性。電源無絕緣耐壓測試可選擇2R-6*8系列的GDT,電源有要求絕緣碾壓測試,可選擇2R-8*8系列的GDT。
無絕緣耐壓測試電源埠保護器件選型
輸入電壓 MOV TMOV GDT 測試標準
AC 220V 561KD14 561KN/E/M14 2RM600M(L)-8 4kV1
561KD20 561KN/E/M20 2RM600M(L)-8 6kV1
561KD25 561KN/E/M25 2RM600M(L)-8 8kV1
注1:IEC61000-4-5,1.2/50μs&8/20μs,2Ω, ±5次
 
有絕緣耐壓測試電源埠保護器件選型
輸入電壓 MOV TMOV SPG/GDT 測試標準
AC 220V 561KD14
561KH14
561KN/E/M14 BK12012002-H
2RH2500L-8
Hi-pot: AC1000V 60s,
IR<10mA
Surge1: 5kV
561KD20
561KH20
561KN/E/M20 BK12012002-H
2RK3000L-8
Hi-pot: AC1500V 60s,
IR<10mA
Surge1: 5kV
561KD25
561KH25
561KN/E/M25 BK12012002-H
2RK3600L-8
Hi-pot: AC1800V 3s,
IR<10mA
Surge1: 6kV
注1:IEC61000-4-5,1.2/50μs&8/20μs,2Ω,±5次

三相 AC380V電源保護
 
採用壓敏電阻分別從相線到中線做共模保護,相線之間的兩個壓敏電阻做差模保護。中線到地採用氣體放電管到保護地,可以緩解MOV的老化,提高系統可靠性。

推薦器件選型
 
採用壓敏電阻分別從相線到中線做共模保護,相線之間的兩個壓敏電阻做差模保護。中線到地採用氣體放電管到保護地,可以緩解MOV的老化,提高系統可靠性。
 
無絕緣耐壓測試電源埠保護器件選型
MOV TMOV GDT 測試標準
561KD14 (85℃)
561KH14 (125℃)
561KN/E/M14 2RM600M(L)-8 Surge1:4kV1
561KD20 (85℃)
561KH20 (125℃)
561KN/E/M20 2RM600M(L)-8 Surge1:6kV1
561KD25 (85℃) 561KN/E/M25 2RM600M(L)-8 Surge1:8kV1
注1:IEC61000-4-5,1.2/50μs&8/20μs,2Ω, ±5次
 
有絕緣耐壓測試電源埠保護器件選型
MOV TMOV GDT 測試標準
561KD14 (85℃)
561KH14 (125℃)
561KN/E/M14 BK12012002-H
2RH2500L-8
Hi-pot: AC1000V 60s,
IR<10mA
Surge1: 5kV
561KD20 (85℃)
561KH20 (125℃)
561KN/E/M20 BK12012002-H
2RK3000L-8
Hi-pot: AC1500V 60s,
IR<10mA
Surge1: 5kV
561KD25 (85℃) 561KN/E/M25 BK12012002-H
2RK3600L-8
Hi-pot: AC1800V 3s,
IR<10mA
Surge1: 6kV
注1:IEC61000-4-5,1.2/50μs&8/20μs,2Ω, ±5次
 
該接線方式為差模保護,選擇MOV或TMOV對電源輸入端進行差模保護,由於三相電源線電壓為AC380V,故MOV的電壓選取應較高。
 
保護器件選型
MOV TMOV 測試標準
921KD14 (85℃)
921KH14 (125℃)
921KN/E/M14 Surge1:4kV1
921KD20 (85℃)
921KH20 (125℃)
921KN/E/M20 Surge1:6kV1
921KD25 (85℃) 921KN/E/M25 Surge1:8kV1
注1:IEC61000-4-5,1.2/50μs&8/20μs,2Ω, ±5次

 
MOV系列產品簡介
 


 
85℃ MOV採用普通環氧樹脂包封而成,為傳統的MOV。



 

125 ℃ MOV 採用矽樹脂包封而成,具有較高的環境使用溫度,相對普通MOV具有更高的可靠性。


 
TMOV是將溫度保險絲與MOV銀片焊接,再採用環氧樹脂包封製成,在MOV失效時溫度保險絲由於MOV銀片內部發熱而斷開,避免MOV失效燃燒。
產品系列 85℃ MOV 125℃ MOV 熱保護壓敏電阻 (TMOV)
內部材料 氧化鋅+銀漿 氧化鋅+銀漿 氧化鋅+銀漿+熱保險絲
包封材料 環氧樹脂 矽樹脂 環氧樹脂
尺寸(mm) 5,7,10,14,20,
25,34,40,53
5,7,10,14,20 14,20,25
浪湧性能 穩定 穩定 穩定
工作溫度 85℃ 125℃ 85℃

直流電源保護


 


 
器件選型
電源電壓 方案一 方案二 方案三
DC5V TVS:
SMBJ6.0A (600W)
1.0SMB6.8A(1000W)
SMCJ6.0A (1500W)
不適用 MOV: 820KD14
GDT: 4532-091-LF
SPG: BK13000702
TVS: SMAJ6.0CA
DC12V TVS:
SMBJ18A (600W)
1.0SMB18A (1000W)
SMCJ18A (1500W)
MOV: 180KD10
GDT: B32-150-LF
SPG: BK33000702
MOV: 820KD14
GDT: 4532-091-LF
SPG: BK13000702
TVS: SMAJ18CA
DC24V TVS:
SMBJ28A (600W)
1.0SMB33A (1000W)
SMCJ28A (1500W)
MOV: 330KD10
GDT: B32-150-LF
SPG: BK33000702
MOV: 820KD14
GDT: 4532-091-LF
SPG: BK13000702
TVS: SMAJ28CA
DC48V TVS:
SMBJ58A (600W)
1.0SMB68A (1000W)
SMCJ58A (1500W)
MOV: 680KD10
GDT: B32-150-LF
SPG: BK33000702
MOV: 820KD14
GDT: 4532-091-LF
SPG: BK13000702
TVS: SMAJ58CA

RS485介面保護
 
靜電防護
 



採用專用485防護ESD器件對RS485的資料線進行防護, 該器件具有7V和12V不對稱的工作電壓。
ESD: SDT23C712L02
測試標準: IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV

一級浪湧防護
 


採用TVS或半導體放電管TSS對RS485介面進行浪湧防護,可獲得較高的浪湧防護等級。
TVS: SMBJ6.5CA,SMB封裝
TSS: P0080SB ,SMB封裝
測試標準:IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV
IEC61000-4-5,10/700μs,40Ω,4kV,±5次

兩級浪湧防護
 
第一級採用GDT進行防護,第二級採用TVS進行防護,在獲得較高浪湧防護等級的同時,可獲得較低的鉗位元電壓。
GDT: 2RM090M-5
SPG: BK13000702/BK13000702-M
PPTC: SMD1812B010TF
TVS: SMAJ5.0CA
測試標準:IEC61000-4-2,等級4, 接觸放電8kV,空氣放電15kV
IEC61000-4-5,10/700μs,40Ω,4kV,±5次

RS232介面保護

選用SOIC-16封裝的多路防護ESD器件對RS232介面進行保護。該器件有5V,12V,15V,24V工作電壓,根據IC的工作電壓可選擇不同電壓的ESD保護器件。
ESD:
LES16C05L08,5V
LES16C12L08,12V
LES16C15L08,15V
LES16C24L08,24V
封裝:SOIC-16
工作電壓:5V,12V,15V,24V
測試標準:
IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV

I/O介面ESD保護
 




SET23AXXL02可同時對2路 I/O介面進行保護,並且工作電壓從5V至24V可選。
也可選擇單路的ESD器件對一路I/O口進行保護。
 
  ESD1 ESD2 ESD3
產品型號 SET23AXXL02 SBD52C05L01 SJD12CXXL01
封裝 SOT-23 SOD-523 SOD-123S
工作電壓 3V,5V,12V,15V,24V 5V 5V~170V
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV

USB2.0介面ESD保護
 



可採用SOT-143 封裝的器件對一路USB2.0介面進行防護。採用SOT23-6L封裝的器件可同時對2路USB2.0 介面進行保護。同時也可採用單路ESD防護器件對USB2.0介面的資料線及電源線進行ESD防護。
  ESD1 ESD2 ESD3
產品型號 UET14A05L03-BK UDT26A05L05UL UCD32C05L01 UAD8C05L01
封裝 SOT-143 SOT23-6L SOD-323 SOD-882
工作電壓 5V 5V 5V 5V
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV

USB3.0介面ESD保護
 


 
  ESD1 ESD2 ESD3 PPTC
產品型號 SDD32A05L01
SOD-323,5V
SFD52A05L01
SOD-523,5V
SFD52A07L01
SOD-523,7V
UAD8C05L01
SOD-882,5V
UBD8C05L01
SOD-882,5V
UAD03C05L01
DFN-1608,5V
UBD32C05L01
SOD-323,5V
UAT52A05L02
SOT-523,5V
UBT23A05L02
SOT-23,5V
SMD1812B110TF
SOD-882,5V
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV

  ESD1 ESD2 ESD3 PPTC
產品型號 UET14A05L03-BK
SOT-143,5V
UBQ10A05L04HI
DFN-2010,5V
UAD20A05L04
DFN-2010,5V
UAT36A03L05
SOT-363,3V
UAT56A03L05
SOT-563,3V
SMD1812B110TF
1812,5V
SMD1812B150TF/8
1812,5V
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV

USB Type C介面ESD保護
 



USB3.1 介面依然是採用2對收發差分線,但是速率提高到最高到10Gbps,信號上升沿0.02ns~0.03ns,器件結電容建議小於0.4pF。下圖是USB3.1 協定使用目前最熱門的Type C 物理介面的防護方案。
  ESD1 ESD2 ESD3 PPTC
產品型號 UAD38A05L08
5V,單向,0.6pF,5A(8/20μs),
DFN-3810封裝
UAD20A05L04
5V, 單向, 0.6pF, 5A(8/20μs),
DFN-2010封装
UTDF28A125L04
12V(Pin1), 5V(pin 2,3,4),
單向,50A(8/20μs,Pin1),
3A(pin 2,3,4,8/20μs),
550pF(Pin1),1pF(Pin2,3,4),
DFN-2018封裝​
SMD1812B150TF/8
1.5A,8V,
​0.040Ω~0.120Ω,
1812封裝
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV

100M乙太網介面保護
 




​一次側採用陶瓷氣體放電管GDT或玻璃氣體放電管SPG對乙太網介面做一次共模浪湧的吸收。隔離變壓器後端採用單路保護器件ESD1或多路保護器件ESD2進行二次保護。
  ESD1 ESD2 GDT SPG
產品型號 UCD32C05L01
SOD-323,5V
UCS8C05L02
SOIC-8,5V
2RK075M-4
4.2*4.0(mm),75V
3KA(8/20μs)​
BK13000702-M
6.0*3.3(mm),140V
3KA(8/20μs)
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV
IEC61000-4-5,10/700μs,40Ω,6kV,±5次

1000M 乙太網介面保護
 




一次側採用陶瓷氣體放電管GDT或玻璃氣體放電管SPG對乙太網介面做一次共模浪湧的吸收。隔離變壓器後端採用分立ESD器件或集成ESD器件進行二次保護。分立ESD器件做差模保護,集成ESD器件可同時進行差共模保護。
  ESD1 ESD2 GDT SPG
產品型號 UCD32C05L01
SOD-323,5V
UES08A03L05
SOIC-8,3.3V
2RK075M-4
4.2*4.0(mm),75V
3KA(8/20μs)​
BK13000702-M
6.0*3.3(mm),140V
3KA(8/20μs)
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV
IEC61000-4-5,10/700μs,40Ω,6kV,±5次

​ 1000M PoE 介面保護

 



一次側採用壓敏電阻MOV或瞬態電壓抑制器TVS進行共模保護。隔離變壓器後端採用分立ESD器件或集成ESD器件進行二次保護。分立ESD器件做差模保護,集成ESD器件可同時進行差共模保護。
  ESD1 ESD2 MOV TVS1 TVS2
產品型號 UCD32C05L01
SOD-323,5V
UES08A03L05
SOIC-8,3.3V
101KD14
14mm100V
5.0SMDJ58CA
SMC,58V
SMCJ58CA
SMC,58V
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV
IEC61000-4-5,10/700μs,40Ω,6kV,±5次

天線(RF)介面保護

 


如圖1,採用超低電容ESD產品對天線介面進行靜電保護。
如圖2,採用兩級防護方案對天線介面進行浪湧防護,第一級採用陶瓷氣體放電
管或玻璃氣體放電管,採用電容或電阻進行退耦,第二級採用超低電容ESD器件
進行精確鉗位。
  ESD1 GDT
產品型號 UAD8C05L01
SOD-882,5V
2RK075M-4
4.2*4.0(mm),75V
3KA(8/20μs)
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV
IEC61000-4-5,10/700μs,40Ω,6kV,±5次

VGA介面保護
 










如圖1,採用單路ESD器件對VGA介面進行ESD保護,可選用SOD882(相容0402)封裝或SOD-323(相容0805)封裝的器件。
如圖2,採用SOT23-6L封裝的器件對VGA介面進行ESD保護,需要注意的是該器件的引腳5不是低電容埠,不能接在高速資料線。
  ESD1 ESD2
產品型號 UAD8C05L01
SOD-882,5V
UCD32C05L01
SOD-323,5V
UDT26A05L05UL
SOT23-6L,5V
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV

DVI介面保護
 










如圖1,採用單路ESD器件對DVI介面進行ESD保護,可選用SOD-882(相容0402)封裝或SOD-323(相容0805)封裝的器件。
如圖2,採用SOT23-6L封裝的多路ESD器件對DVI介面進行保護,需要注意的是該器件的引腳5不是低電容埠,不能接在高速資料線
  ESD1 ESD2
產品型號 UAD8C05L01
SOD-882,5V
UCD32C05L01
SOD-323,5V
UDT26A05L05UL
SOT23-6L,5V
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV

SATA介面ESD保護
 





採用SOT23-6L封裝的器件對SATA的電源線及資料線進行保護。ESD器件的低電容引腳與SATA的數據線相連,非點電容引腳與電源埠相連。
  ESD
產品型號 UDT26A05L05UL
SOT23-6L,5V,1.0pF
UDT26A05L05-LC1​
SOT23-6L,5V,1.0pF
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV

按鍵介面ESD保護
 









客戶可根據按鍵介面選擇合適封裝的ESD保護器件,單路按鍵介面可選擇單路保護器件,多路按鍵介面可選擇多路ESD器件,以下為兩個典型應用案例。
  ESD1 ESD2
產品型號 SJD12A(C)XXL01
SOD-123S,5V~170V
SBD52C05L01
SOD-523,5V
SAT36A05L05​
SOT-363,5V
測試標準 IEC61000-4-2,等級4,接觸放電8kV,空氣放電15kV