文/沈力 楊楠

隨著微處理器在現(xiàn)代計量測試儀器中的廣泛應(yīng)用，電涌保護(hù)器的作用愈加重要。這是由于微處理器及系統(tǒng)對電涌具有更高的敏感性，而電涌帶來的危害風(fēng)險不僅會造成數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重的甚至?xí)苯訐p毀儀器設(shè)備。

電涌保護(hù)器通常由過電壓和過電流兩種保護(hù)器件組成。為降低產(chǎn)品的維修服務(wù)成本，過流保護(hù)器件一般選用具有自動復(fù)原性能的自恢復(fù)保險絲。自恢復(fù)保險絲按材料分為高分子聚合物PPTC 和陶瓷CPTC。其作用原理是：當(dāng)電流超過額定值時，溫度升高，阻值變大，迫使電流變小而起到保護(hù)作用。但因動作時間較慢，難于應(yīng)用于需快速保護(hù)的場合。

TBU(Transient Blocking Unit，瞬態(tài)阻斷單元)，是由Bourns(柏恩)公司開發(fā)的高速電路保護(hù)器件。它克服了傳統(tǒng)自恢復(fù)保險絲的缺點，可視為自恢復(fù)保險絲的高性能升級版。目前在市場上的應(yīng)用日趨廣泛。

1 TBU器件的工作原理

TBU 由MOSFET 半導(dǎo)體技術(shù)制成，用作串聯(lián)保護(hù)裝置。當(dāng)用于信號通道時，TBU 以其參數(shù)Itrigger為參考值對流過的電流Is進(jìn)行監(jiān)測。若Is>Itrigger，則TBU 在1μs 內(nèi)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，此時Is被限制在1mA 下。這樣能有效阻止高電壓和高電流進(jìn)入被保護(hù)電路內(nèi)部。若線路上的直流偏壓正常值低于TBU 的參數(shù)VReset，則在浪涌事件結(jié)束且TBU 兩端電壓降至VReset以下時，TBU 自動開啟重置，并在Is回到正常范圍時完成重置過程。

2 TBU器件特點及應(yīng)用場合

TBU 保護(hù)器的主要特點：

（1）正常工作情況下等效為低阻值電阻，易于設(shè)計。

（2）在指定的電流觸發(fā)下進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；動作速度快，1μs 內(nèi)瞬間阻斷浪涌能量；阻斷電壓達(dá)850V。

（3）保護(hù)狀態(tài)結(jié)束后自動恢復(fù)，長期免維護(hù)。

（4）支持帶寬達(dá)3GHz 的高速、高頻應(yīng)用。

（5）小尺寸封裝，占用面積小。

圖1：輸出接口保護(hù)電路原理圖

應(yīng)用場合：主要包含通訊、醫(yī)療、工業(yè)、消費電子等方面，如電信應(yīng)用、各類總線、通信接口、傳感器、工業(yè)控制、測試儀器、高清視頻等等。

3 TBU的選用和設(shè)計方法

步驟1：電流特性。先確定系統(tǒng)峰值工作電流和最高工作環(huán)境溫度，再使用TBU 數(shù)據(jù)表的 “觸發(fā)電流與溫度”降額曲線，得到對應(yīng)的 TBU 降額值。

步驟2：過壓選擇。選擇一過壓器件，其最低直流擊穿電壓應(yīng)高于系統(tǒng)正常工作電壓和因交流電源故障而產(chǎn)生的電壓。選擇的器件還應(yīng)能處理所需級別的雷擊浪涌電流。

步驟3：TBU 器件的選擇。TBU 器件的最大脈沖電壓（Vimp）應(yīng)大于所選過壓保護(hù)器的最大脈沖擊穿電壓或在規(guī)定的峰值浪涌電流下的鉗位電壓。所選TBU 器件的Itrigger的最小特定值（使用步驟1 中的降額值）應(yīng)高于系統(tǒng)最大峰值工作電流。

步驟4：第三級保護(hù)。在很多應(yīng)用中，TBU 可通過被保護(hù)電路輸出和吸收足夠的電流來觸發(fā)。若非如此，為確保TBU 正確觸發(fā)，應(yīng)在TBU 器件之后放置一個接地的小型雪崩二極管或放置一個接于電源和地之間的小型信號鉗位二極管。

4 設(shè)計實例

以時間檢定儀輸出接口保護(hù)電路的設(shè)計為例。時間檢定儀是對時間間隔測量儀進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)的中精度時間間隔標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器。在使用過程中需將其輸出接口連接至被檢儀器的輸入口。因被檢儀器的種類和型號繁多，特別是某些指針式電秒表的輸入端與220V 市電間無絕緣，這樣可能因人為錯誤接線導(dǎo)致儀器損壞。此外，短路、交流電源交叉、感應(yīng)電流和雷擊浪涌等也是儀器輸出接口所面臨的威脅。為了消除這些威脅和隱患，同時考慮到時間檢定儀輸出接口對高速、低延時特性的要求，采用了以TBU 器件作為核心的高速電路保護(hù)技術(shù)來對輸出接口電路進(jìn)行快速、全面的保護(hù)。

時間檢定儀具有脈沖電平輸出和無源空接點兩種輸出接口。針對這兩種接口的保護(hù)電路在結(jié)構(gòu)上完全相同，僅元件的選取有所區(qū)別。圖1為電路原理圖。

電路由過流瞬間阻斷器件TBU、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS、氣體放電管GDT 和熔斷型保險F 組成。其工作原理是：若過高的瞬態(tài)電壓或連續(xù)電壓由J3J4 進(jìn)入空接點通道或TTL 電平通道，TVS 管首先動作，將J1J2處的危險電壓限制到安全范圍內(nèi)。此時若通過TBU 電流保護(hù)器件的電流超過保護(hù)電流，TBU 電流保護(hù)器件迅速動作，將電流關(guān)斷，使得空接點通道或TTL 電平通道得到保護(hù)。氣體放電管對TBU 進(jìn)行電壓保護(hù)，其動作電壓應(yīng)選取小于TBU 的耐壓值，防止意外情況出現(xiàn)時TBU 上的電壓超過其耐壓值。輸出端的最后一級為熔斷型保險，作為氣體放電管在特殊情況下的高電壓、高能量沖擊保護(hù)。

電平輸出保護(hù)電路，其指標(biāo)為Vomax=5V, Imax=40mA。

（1）TVS 選?。弘p向結(jié)構(gòu)、最高峰值工作電壓Vwm應(yīng)大于等于最大持續(xù)工作電壓、具有滿足高速應(yīng)用的低電容值，選CDSOD323-T05C，其Vwm=5.0V，Cj=3pF。

（2）GDT 選?。嚎紤]到220V 工頻電源碰線的意外情形，此時只要求TBU 動作，而GDT 不動作，故GDT 的直流放電電壓最小值應(yīng)大于220V 工頻交流電波動范圍最大值的峰值。根據(jù)工頻供電實際情況，取工頻交流電最大值為265V，其峰值為375V。選放電管為2027-47-BLF，其直流放電電壓為470V，容差為±20%，即最小值為376V，滿足要求。

（3）TBU 選型：先預(yù)選為TBU-CA085-50-WH，其觸發(fā)電流最小值為50mA。因儀器最高工作溫度為40℃，查數(shù)據(jù)表上降額曲線，40℃時觸發(fā)電流為0.95x50mA=47.5mA，大于最大工作電流Imax。最大脈沖電壓（Vimp）為850V，大于所選GDT 的脈沖放電電壓725V（100 V/μs）。連續(xù)交流工作電流Vrms為425V，大于在工頻電源意外碰線時可能出現(xiàn)的最大電壓265V?？梢娫陔娏骱碗妷悍矫嫠xTBU 均滿足需要。

（4）F 選?。鹤鳛樽詈笠坏婪雷o(hù)，F(xiàn) 動作的可能性只在非常特殊的情況下發(fā)生，這里選表面貼裝的抗浪涌專用SMD 保險0461.500ER，其主要參數(shù)為：500mA 、600V、0.56Ω。

空接點輸出保護(hù)電路，儀器指標(biāo)為Vimax=90V, Imax=40mA。

（1）TVS 選?。弘p向結(jié)構(gòu)、最高峰值工作電壓Vwm 應(yīng)大于等于最大持續(xù)工作電壓、具有滿足高速應(yīng)用的低電容值，選SMAJ90CA，其Vwm=90V，Cj=25pF。

（2）其它器件選型：因電路最大工作電流相同，保護(hù)的目的也相同，故GDT、TBU和F 的選型與電平輸出保護(hù)電路的相同，型號分別為2027-47-BLF、TBU-CA085-50-WH 和0461.500ER。

5 結(jié)束語

TBU 器件動作準(zhǔn)確、反應(yīng)迅速，尤其適合于對現(xiàn)代高速、高帶寬電路進(jìn)行保護(hù)的應(yīng)用場合。實際應(yīng)用證明，使用以TBU 器件為核心的保護(hù)電路，有助于提高相關(guān)計量儀器產(chǎn)品的可靠性和耐用性。