В современных промышленных и автомобильных электронных системах технология защиты цепей играет решающую роль. По мере того, как интеграция и сложность устройств продолжают расти, такие проблемы, как перегрузка по току, перенапряжение, электростатический разряд (ESD) и электромагнитные помехи (EMI), становятся все более заметными. Правильный выбор компонентов защиты цепи может эффективно продлить срок службы устройств и обеспечить стабильность и надежность системы.

С1. Что такое защита цепи?

С2. Специальные требования для промышленного и автомобильного применения

С3. Компоненты защиты общей цепи и их применение

С4. Соображения по проектированию защиты цепей в практических приложениях

С5. Тренды будущего: умные и интегрированные решения

С6. Заключение

Что такое защита цепи?

Под защитой цепи понимаются меры, принимаемые для защиты электронных устройств или систем питания от необратимых повреждений, вызванных аномальным напряжением, перегрузкой по току, короткими замыканиями, скачками напряжения и т. д. Проще говоря, защита цепи выступает в качестве «предохранителя» электронных устройств. С помощью различных компонентов или решений он направляет и поглощает аномалии цепи, предотвращая повреждение критически важных компонентов. Общие компоненты защиты цепи включают, помимо прочего:

Варистор оксида металла (MOV)

Поглощает скачки напряжения для предотвращения повреждения чувствительных компонентов.

Диод подавления переходных процессов (TVS)

Быстро реагирует на скачки напряжения, защищая цепь от переходных скачков.

Газоразрядная трубка (GDT)

Известен своей высокой устойчивостью к перенапряжениям, обычно используется в устройствах связи и промышленной защите электропитания.

Полимерный предохранитель с положительным температурным коэффициентом (PPTC)

Отключает цепь при перегрузке по току и автоматически восстанавливается после устранения неисправности.

Особые требования к промышленным и автомобильным приложениям

В промышленных условиях оборудование должно выдерживать суровые условия, такие как высокие температуры, влажность, пыль и вибрация. Таким образом, компоненты защиты должны обладать такими характеристиками, как устойчивость к высоким температурам, устойчивость к высокому напряжению и длительный срок службы. В автомобильной промышленности электронные компоненты должны соответствовать стандартам AEC-Q и быть устойчивыми к ударам, вибрациям и широким диапазонам температур (обычно от -40 °C до 125 °C).

Компоненты защиты общей цепи и их применение

Вот несколько распространенных компонентов защиты цепи:

Варистор оксида металла (MOV)

MOV обычно используются для защиты от перенапряжения в электронных схемах. При возникновении перенапряжения MOV ограничивает напряжение до определенного уровня за счет его нелинейных характеристик, предотвращая повреждение других компонентов. MOV особенно широко используются в цепях переменного тока.

Иллюстрация 3-1: Варистор оксида металла, 385 В

Стеклянная газоразрядная трубка

Стеклянная газоразрядная трубка сочетает в себе преимущества керамических газоразрядных трубок и отвечает более высоким требованиям к напряжению пробоя постоянного тока. Он имеет низкое напряжение проводимости и высокий ток разряда, что делает его пригодным для суровых условий молниезащиты. Он широко используется в автомобильном и коммуникационном оборудовании.

Диоды подавления переходных процессов напряжения (диоды TVS)

Диоды TVS играют жизненно важную роль в защите цепей, особенно в защите чувствительных компонентов. Их скорость отклика чрезвычайно высока (в пикосекундном диапазоне), что позволяет им быстро отключать перенапряжение. В результате они часто используются для защиты портов ввода-вывода в критически важных приложениях передачи данных.

Керамическая газоразрядная трубка

Керамические газоразрядные трубки являются одним из наиболее часто используемых типов устройств защиты от перенапряжений. Они играют важную роль в питании постоянного тока и защите от перенапряжений сигнала. Их структура отличается большой токонесущей способностью, небольшой емкостью между каскадами и высоким сопротивлением изоляции, что позволяет быстро защитить цепь от повреждений в случае молнии или других скачков напряжения.

Рисунок 3-4: Керамическая газоразрядная трубка

Полимерный предохранитель с положительным температурным коэффициентом (PPTC)

В предохранителях PPTC используются полимерные материалы, которые быстро увеличивают сопротивление при возникновении перегрузки по току, тем самым защищая цепь. Как только перегрузка по току устранена, предохранитель возвращается в исходное состояние с низким сопротивлением, что позволяет избежать необходимости частой замены предохранителей.

Конструктивные соображения по защите цепи в практических приложениях

Выберите правильный тип компонента:

Выбирайте компоненты с подходящей скоростью отклика и способностью работать с энергией в зависимости от конкретных сценариев применения и потребностей в защите.

Учитывайте факторы окружающей среды:

В промышленных и автомобильных средах учитывайте влияние внешних условий, таких как температура, влажность и механические удары, на производительность компонентов.

Соответствие отраслевым стандартам:

Автомобильные компоненты должны соответствовать стандартам AEC-Q100 или AEC-Q200, в то время как промышленные компоненты должны пройти соответствующую сертификацию высокой надежности.

Конструкция защитной цепи:

Используйте комбинацию нескольких компонентов защиты для формирования многоуровневой цепи защиты, повышая общую надежность системы.

Будущие тренды: умные и интегрированные решения

С быстрым развитием Индустрии 4.0 и автомобильной электроники технология защиты цепей продолжает развиваться. С одной стороны, появились интеллектуальные компоненты защиты, интегрирующие диагностические функции для мониторинга состояния цепи в режиме реального времени и обеспечения обратной связи. С другой стороны, набирают обороты высокоинтегрированные решения для защиты. Однокристальные решения, объединяющие несколько функций защиты, упрощают проектирование схем и экономят место на печатной плате. Кроме того, устойчивое проектирование становится тенденцией, при этом особое внимание уделяется повышению долговечности и энергоэффективности компонентов защиты для снижения частоты замен и поддержки экологичного электронного дизайна.

Заключение

Технология защиты цепей является краеугольным камнем обеспечения стабильной работы промышленных и автомобильных систем. Тщательный выбор подходящих компонентов защиты и разработка эффективных схем защиты могут значительно повысить безопасность и надежность систем. По мере того, как прикладные среды становятся все более сложными, будущие технологии защиты цепей будут продолжать развиваться в направлении повышения интеллекта и интеграции, обеспечивая надежную поддержку для более широкого спектра областей применения.