联合式电路保护防止损坏DVB网络设备

业界各标准组织正在就扩展当前的DVB技术规格展开密切合作。与此同时，网络交换和传输设备制造商还必须满足行业安全方面的要求，如由ITU-T颁布的安全要求。ITU-T的推荐标准规定，要采用过电流和过电压保护，以达到电信基础设施和客户方设备能够安全运行的目的。

PolySwitch聚合物正温度系数(PPTC)器件和SiBar浪涌保护器件(TSPD)已经在全世界范围内广泛应用，它们能够帮助网络设备设计人员和制造商满足安全和性能方面的要求。PolySwitch器件能够在局端交换设备、模拟和数字式线路卡、VoIP设备、DSL和ISDN调制解调器以及用户端设备中提供过电流保护功能。PPTC器件的可复位功能、较小的体积和低阻值的特性使其很适合这些方面的应用。

图1 网络设备的联合式过电流/过电压电路保护系统


SiBar TSPD器件的设计旨在帮助通信网络设备制造商满足ITU-T K.20和K.21推荐标准所要求的过电压保护水平。TSPD器件也可与其它器件联合组成次级电路保护器，包括PolySwitch PPTC器件。TSPD的主要优势在于小巧的体积、导通状态下较低的功耗以及精确的“转折”电压。

图1所示为一套联合式过电流/过电压保护系统，供网络设备制造商在满足ITU-T K.20要求时使用。SiBar TSPD器件有助于保护敏感的电子设备，使其不受快速过电压事件的影响，其中包括雷击瞬态事件。线路馈入电阻器可以在调节通信线路上的稳态电流时使用。

PolySwitch器件提供了某些异常运行条件下的电流限制功能，如电力线搭碰和电力线感应现象。这种器件具有两个优点：对于电压低于SiBar器件的转折电压的故障，这种器件可提供能够保护系统的可复位式的电流限制功能；对于高于SiBar器件转折电压的故障，这种器件可提供能够保护SiBar器件本身的可复位电流限制功能。此外，PPTC器件的基本电阻可以进行选择，从而限制超出SiBar器件转折电压的瞬态故障中的电流。

在联合式保护方案中，这种器件的可复位功能有助于改善最终用户的系统使用时间，减少运行和维修成本，并增强用户的整体满意度。

图2 保持电流和动作电流作为温度函数的示例

 
PPTC器件能够提高

电信设备的可靠性
PolySwitch器件用于保护敏感的电信网络设备，保证其不会由于过电流故障而被损坏。在发生这种故障时，PPTC器件的电阻将从其基本电阻值上升到一个更高的电阻值，从而有效地隔离故障。

对于200~350mA之间的电流，典型的250V PPTC器件将在线路接口发生损坏前动作，而其它解决方案，如抗雷击熔断器，不会在出现超过500mA的过电流故障前跳闸，从而导致大电流流经用户的线路接口卡(SLIC)。

电信应用中要求熔断器采用很高的电流额定值。采用尺寸过大的熔断器所产生的后果之一是，有可能在故障条件下出现很高的表面温度，导致设备受损或出现不安全状况。在发生超过系统运行电流的故障，而且这个电流没有高到足以导致熔断器及时动作的情况下，抗雷击熔断器有可能达到不符合要求的温度值。

在给定的故障电流下，PPTC器件的动作快于表面安装的熔断器。器件的动作时间会影响过电流保护器件的允许通过能量和表面温度，这两点均是在电路设计时要予以考虑的重要因素。

图3  TSPD的原理图

PPTC器件的工作原理

与传统的熔断器相似的是，PPTC器件能够限制故障状况下的大电流通过。但是，PPTC器件能够在故障状况排除或电源断开后复位。

PPTC电路保护器件采用半晶体状聚合物与导电性颗粒复合制造。在正常温度下，这些导电性颗粒在聚合物内构成了低电阻的网络结构。但是，如果温度上升到器件的切换温度(TSw)时，无论这种状况是大电流造成的，还是由于环境温度的上升造成的，聚合物内的晶体物质将会融化并成为无定形物质。在晶体相融化阶段出现的体积增大会导致导电性颗粒在液力作用下分隔，并使器件的电阻值出现巨大的非线性增长。

典型情况下，电阻值将增加3~4个数量级。电阻值增加后能够将故障条件下流经的电流数量降低到一个较低的稳态水平，从而保护电路内的设备。在故障排除以及电路电源断开以前，PPTC器件将保持在闩锁(高阻值)状态，而故障排除以及电路电源断开时，导电性复合材料冷却下来并重新结晶，将PPTC恢复成电路内的低阻值状态，受影响的设备也恢复到正常的运行状况。

图4  TSPD器件一侧的横截面图


PPTC器件在电路中作为串联部件使用。此器件较小的体积有助于节省宝贵的板卡空间。而且与要求用户能够接触到的熔断器相反，PPTC器件的可复位功能允许其放置在无法接触到的位置。由于PPTC器件属于固态器件，所以也能耐受机械冲击和振动，从而在广泛的应用范围内提供可靠的保护能力。

虽然PPTC器件经常被称为“可复位的熔断器“，但它属于用于限制电流的非线性热敏电阻器。熔断器属于电流跳闸型器件，而一旦熔断器熔断，它所在的电路即被损坏，熔断器上再也无法流过电流。这种电气中断(或断路)是永久性的。一旦PPTC器件动作，由于它需要有一个很低的焦耳加热泄漏电流或外部热源来保护其已动作状态，所以有一个很小数值的电流通过。一旦故障状况被排除，这个热源即被消除。这时器件就可以恢复到低阻值状态，电路也恢复正常。

图5  TSPD器件的等效电路图

在恢复到正常运行状态会造成潜在的安全隐患或设备上的器件在发生故障后应当进行维护的状况下，采用熔断器或断路器较为合适。例如，在垃圾处理装置中推荐采用一次性的熔断器，因为此装置的刀片在电动机突然恢复运行时有可能导致严重的伤害事故。另一方面，可复位的PPTC器件主要用于对需要立刻恢复运行的电信和网络设备进行保护。

最后，设计人员必须决定自己设计的应用要求采用哪种水平的保护。决定是否采用某一具体保护器件的最好方式是进行一次全面的系统测试。

PPTC器件在设计中

要考虑的事项
电路中需要PPTC器件时，有一些关键性的参数要予以考虑，包括器件的保持和动作电流、环境条件对器件性能的影响、器件的复位时间、动作状态下的泄漏电流，以及自动或手动复位条件。

保持和动作电流

图2所示为PPTC器件的保持和动作电流作为温度函数的特性。在A区，PPTC器件将动作以保护电路。在B区，PPTC器件能够让电路工作在正常状况下。在C区，器件既有可能跳闸，也有可能保持在低阻值状态下，这要取决于具体的器件电阻值和环境。

由于PPTC器件可以在温度作用下动作，所以在器件周围有任何温度变化都将影响其性能。温度增加时，器件动作所需的能量较少，因此保持电流(IHOLD)降低。

环境对器件性能的影响

PPTC器件的热传导环境可以对器件的性能产生显著的影响。通常，通过增加器件的热传导性能，其功耗、动作时间和保持电流均将有相应的增长。如果从器件发出的热传导量下降，则会出现相反的现象。此外，器件周围热质量的变化也将改变器件的动作时间。

PPTC器件的动作时间定义为在故障电流开始出现至器件动作之间的时间。动作时间取决于故障电流和环境温度。

动作事件是由于散热速率低于热量产生的速率而造成的。如果所产生的热量大于散失的热量，器件的温度将增加。温度上升的速率和让器件跳闸所要求的总能量取决于故障电流和热传导环境。

在正常的运行条件下，器件所产生的热量和器件散失到环境中的热量处于平衡状态。

I2R = U(T-TA)，其中，I = 流经器件的电流,R= 器件电阻值,U= 综合热传导系数,T = 器件的温度,TA= 环境温度。

电流或环境温度的上升，均将导致器件达到电阻值迅速上升的温度。电阻值的这种巨大变化将降低流经电路的电流，保证电路不被损坏。

保持电流器件能够在不限时间的情况下，保持不从低阻值状态转入高阻值状态的最高稳态电流。保持电流可以根据热传导环境进行相当精确的定义，并且会受到各种设计选择的影响，例如：

* 将器件放置在发热源附近，例如功率场效应管、电阻器或变压器，从而导致保持电流、功耗和跳闸时间减少。
* 增加与器件实施电气接触的引线大小，导致热传导量的增加和较大的保持电流、较慢的动作时间和较高的功耗。
* 在将器件连接到电路板前,应先将器件连接到较长的线上，增加器件的引线长度，以实现热传导量的减少，并降低器件的保持电流、功耗和动作时间。

器件复位时间

在动作事件发生后，电阻值可以迅速恢复到稳定值，而绝大多数的恢复均在前几秒内发生。与其它电气属性一样，电阻值的恢复时间取决于器件的设计和热环境。由于阻值恢复与器件的冷却存在关系，热传导量越大，恢复的速度越快。

动作状态下的泄漏电流

当PPTC器件闭锁在其高阻值状态下时，能够流经器件的电波数量是故障电流的一个分数。这个电流值可以采用下列公式计算出来：
I = PD/VPS，其中，I = 动作状态下器件的泄漏电流,PD = PPTC器件的功率,VPS= PPTC器件两端的电压。

TSPD提供有效的

过电压保护
过电压保护器件有两种类别，箝位和转折，或急剧短路器件。金属氧化物变阻器(MOV)和二极管的箝制型器件在运行中能够让电压上升到设计好的水平。

转折型器件具有一个优于箝位器件的特点，即对于某个给定的故障电流，在TSPD内耗散的功率远小于箝位器件内部耗散的功率。这是由于转折器件两端的电压更小。这样就可使用小尺寸的过电压器件，并使电容值降低，而这正是高速通讯设备所需的特性。

在电压超过器件转折所需的击穿电压时，器件将形成一个低阻抗路径，从而有效地对过电压状况进行短路。器件将在电流降低到其保持额定值以下前保持在这种低阻抗状态。在过电压事件发生后，器件将恢复成高阻值状态，实现正常的系统运行。

TSPD的设计和运行

TSPD属于双向芯片器件。这种器件的4个对称分层如图3所示。在其横截面图上，其放置方式可以简化成如图4和图5所 示的两个晶体管和一个P型电阻器的描述。在正常运行中，电压加到两个接线端上。

随着从阳极至阴极之间的电压增加，PNP晶体管中发生的雪崩击穿让电流能够通过。不断增加的雪崩电流从阳极通过PNP晶体管流动，随后通过P电阻器流到阴极。P电阻器两端的电压对NPN晶体管施加让其导通的偏压。在NPN晶体管施加偏压而导通后，PNP晶体管将迅速切换成导通状态，导致器件出现转折现象。由于PNP晶体管的集电极电流驱动着NPN晶体管的基极，以及与此类似的NPN晶体管的集电极电流驱动着PNP晶体管的基极，该器件处于闩锁状态下。

在运行过程中，在电压超过规定的击穿点时，该器件转折成一个低阻抗路径，有效地对过电流状态进行短路。在流经器件的电流降低到规定保持电流以下之前，此器件均保持在这种低阻抗状态。在过电压事件过去后，器件将复位至高阻抗状态，从而有可能恢复正常的系统运行。

TSPD在设计方面的

考虑事项
在TSPD器件选型时应当考虑以下的设计标准：
1. 决定所设计的器件必须满足哪些行业的安全要求，以及为了满足这些要求要采用什么类型的保护方式。
2. 击穿电压：决定器件在哪一点应当从高阻抗转入到低阻抗，以保护负载。需要进行保护的最低电压是多少,最大击穿电压必须小于此值。
3. 关断状态电压：器件的最大额定运行电压必须大于系统的持续运行电压，这个值定义为峰值振铃交流电压加上直流电池电压的总和。
4. 峰值脉冲电流：器件的峰值脉冲电流必须大于针对系统规定的最大浪涌电流。如果不是这样，就有可能需要增加额外的电阻来减少脉冲电流，让其处于器件的脉冲额定值范围以内。典型峰值脉冲电压值在相关电信标准的雷击浪涌部分规定，例如Telcordia GR-1089 和FCC Part 68.
5. 保持电流：保持电流决定了过电压保护器件将在保时“复位”或从低阻抗切换至高阻抗，从而让系统恢复正常。该器件的保持电流必须大于系统的电源电流，否则它将保持在低电流状态下。

结语

PolySwitch PPTC器件的低电阻、快速动作时间和小巧的特点有助于提高板卡面积较小的电子设备的可靠性。这类器件的可复位功能有助于电路设计人员选定和应用这类器件，以达到最大的运行效益。PolySwitch PPTC器件为一次性使用的熔断器技术提供了一项可实现复位的替代方案。
Raychem SiBar TSPD器件用于帮助电信网络设备制造商达到ITU-T K.20和K.21的过电压要求。它的主要优点是具有较小的形状系数、较低的导通状态功耗，以及准确的电压箝制能力。这类器件的低电容值特性也让它们适用于高数据传输率的电路中。
在采用联合式的保护方案时，这些器件所具有的可复位功能能够提高系统和设备的可靠性、降低服务和修理成本，并增加用户的满意度。■