协同电路保护方案使通信设备免受损害

协同电路保护方案使通信设备免受损害

在通信设备的正常使用过程中，由于恶劣的电磁环境可能造成个别元器件的损坏，导致通信设备不能正常工作，造成重大损失。为了确保通信设备的安全，通常在通信设备中设计有关保护电路。常用的保护器件按工作原理划分，主要有过电压保护、过电流保护、过温度保护和EMI保护等几大类。根据实现保护的不同方法，相同功能的保护器件也有不同种类可供选用。在实际运用中，为了确保满足设备的保护和可靠性要求，保护电路往往采用多重协同保护（多级保护）。

通信设备电路的保护

过电压保护器件通常有高阻抗特性，当电压达到它的过电压保护值以上时，就转换到低阻抗；一旦过电压故障消失，保护器件会返回到高电阻状态，是一种可恢复器件。常用的过电压保护器件有SiBar（半导体晶闸管浪涌保护器件）、瞬态电压抑制器（TVS）、MOV（金属氧化物可变电阻）、和GDT（气体放电管）等。

1 过电压保护器件SiBar

SiBar在浪涌电压超过击穿电压时起分流的作用。当浪涌电压超过击穿电压时，SiBar工作在保护特性曲线的低阻区，形成一个低阻通路，有效地降低过电压。SiBar器件保持低阻状态直到流过该器件的电流下降到低于保持电流。在过电压事件过去之后，SiBar器件自动恢复到高阻状态。

① 瞬态电压抑制器的工作原理

目前，瞬态电压抑制器已被广泛应用于计算机系统、通信设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表（电度表）、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护等各个领域。

② 瞬态电压抑制器的分类

按用途，瞬态电压抑制器可以分为通用型瞬态电压抑制器和特殊电路适用的专用型瞬态电压抑制器。如果按封装及内部结构划分，瞬态电压抑制器又可以分为轴向引线、双列直插瞬态电压抑制器阵列（适用多线保护）、贴片式、组件式和大功率模块式等。

金属氧化物可变电阻（MOV）是一种陶瓷元件，其应用越来越广泛。它是由氧化锌微粒组成的多晶半导体过电压抑制器件，典型应用产品是氧化锌压敏电阻。利用其良好的伏安特性可以将冲击电压限制在一定范围内。其主要技术参数有通电流能力、冲击击穿电压和残电压。

4 气体放电管

由于气体放电管可以容纳较高的脉冲电流、电容较低，但脉冲电压击穿滞后较多，一般用气体放电管作为第一级保护元件，常用的气体放电管的外形如图2所示。

图2 常用气体放电管的外形图

实用中，正温度系数（PTC）电阻器可用于过电流/过温度保护的应用场合，是一种限电流固态元件。PTC电阻器在正常温度下呈现欧姆特性，当超过一个特定温度以后，电阻值急剧上升104～106倍。当故障排除之后，PTC电阻器能自动恢复到低电阻状态，重新接通电路，因此使用中不需要维护。使用中，PTC元件和被保护电路串联连接，当电路中的电流迅速增加时，PTC的电阻迅速增加，从而限制电路过电流，实现对被保护对象的保护，这一过程被称之为PTC的“动作”。

PolySwitch（PSW）保护元件（PPTC）是由聚合物原料掺合导电颗粒制成的，如图3所示。在正常温度下，原材料结晶状结构将导体颗粒紧密束缚在一起，形成多个低电阻通路。当大电流通过或周围环境温度升高导致PPTC元件的温度高于动作温度时，聚合物中的晶体融化而变成无规律排列，体积微膨胀、低电阻通路断开，导致电阻迅速增加。

图3 PolySwitch（PSW）聚合物PTC的结构图

图5表示PPTC元件过电流/过温度后，当过电流/过温度故障消除后，PPTC元件阻值的恢复曲线。可见即使若干小时后，PPTC元件的阻值仍然大于初始阻值，电阻的减降将需持续一段较长的时间，最终电阻才会接近初始电阻，这个时间可能是几天、几个月或更久。但是，在实际应用中，要使PPTC元件的阻值恢复到初始值是不现实的。所以在选用PPTC元件时，在决定PPTC的保持电流时就应考虑PPTC元件动作后并恢复1小时后的初始电阻RImax这个参数。

图5 PPTC的阻值恢复曲线

在以往，单个元件一直是电路保护中的主角，但是随着电子产品技术和需求的发展，融合两种或更多技术、材料的综合保护器件或模组将会越来越多。

与PolyZen类似，融合PPTC和MOV(金属氧化物压敏电阻)器件的2Pro单片过电压/过电流保护器，具有体积小、电力线搭碰/感应测试后自动恢复和有助于防护电路过电压的优点。可用于VoIP网关、无线电话、传真机、机顶盒、低成本电信系统和客户端设备的过电压/过电流保护应用场合。

通信设备电路保护实例

在图7所示的电信设备三重协同保护电路中，采用了GDT作为第一级过电压保护，其后串联了PolySwitch过电流保护器件，第二级过电压保护则采用了响应速度很快的折返式可控硅浪涌电压过电压保护器件SiBar。采用三重协同过电压/过电流保护，既可以确保被保护电信设备免受雷击浪涌侵害，又可以保护电信设备因电力线感应或电力线搭碰造成的损坏。

图7 采用GDT、PolySwitch和SiBar的电信设备三重协同保护电路工作原理图

如果在图6、图7的基础上再添加一级欠电压保护功能，则可以在市电电压下，实现传真机的过电压和欠电压保护。当传真机的供电超过260V或低于170V时自动断开供电电源，完成过电压和欠电压保护，这对那些供电电压不稳定地区的传真机使用有很大的好处。

由于使用环境的苛刻，以及对系统稳定性和可靠性的要求，电信系统需要采用多重保护。系统中的设备应当根据具体的应用环境和设备的特点选用适当的保护元件构成满足系统保护要求的解决方案。依据相应的标准设计合理的保护电路、选用品质优良的适用元件，是保证通信设备安全的牢固基石。