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滤波器电压电路一种ESD器件怎可能解决所有保护问题?

抗静电(ESD)器件有时被作为一种“万能保护方案”用于不同场合,这显然是一个误区。我们的目标是依照20-80%的原则——一种商业运作规则,即“80%的销售额源于20%的客户”,利用一个简单电路(图1)解决大多数应用中的ESD保护问题。

该电路取自一个工厂的逻辑控制单元(PLC)系统,类似电路还可用于电信和消费类产品。例如,1913电话手册中讨论的避雷器ESD保护装置。金属火花隙可以完成同样功能,但由于它们易溶化,需要频繁更换,成本相对较高。比较好的选择方案是碳砖,即使碳砖表面会变成粉末脱落并导致短路。典型应用中在碳砖之间加上0.005至0.01英寸的云母片,进行隔离。

图1. 20-80% ESD保护电路


图1中,可以在A、B处分别串联一个保险丝,系统发生故障时,例如市区电话线接触到600V的电车线揽时,保险丝将熔断。图中C1可以用碳砖电弧保护器替代,碳砖在发生打火时将吸收很大电流,使保险丝熔断。把低熔点金属垫片嵌在碳砖内,即使保险丝没有熔断碳砖也会溶化,提供一个电弧放电通路。这种情况并不常见,但在工厂中时常会在保护电路的输入端出现意外的高压信号。为了限制高压,可以使用气隙放电避雷器、金属氧化物变阻器、二极管抑制器、三端可控硅开关元件以及双端交流开关元件。


参照图1,我们可以把ESD器件分为三类:


● 限压器:气隙放电避雷器、金属氧化物变阻器、二极管抑制器、三端可控硅开关元件、双端交流开关元件、开关器件等。

● 限流器:保险丝、断路器、热断流器。

● 上升时间抑制,通过减缓瞬变过程提供附加保护:电阻、电感、线圈、磁珠、电容等。


图1中,从左至右,用FB1替代R1能够充分发挥C1-D1的效用,通过限制输入电流为C1-D1提供保护。R1、R2也可以用精密电阻替代(例如MAX5490),对输入电压进行衰减,使其达到ADC所要求的0-5V的采样范围。表1列出了不同电压范围对应的分压比。

选择电容时,应该注意其工作电压和自谐振频率。AVX.com和Kemet.com提供SPICE仿真模型,用于计算自激频率,电路中的C1用于抑制射频干扰(RFI)。


也可以利用软件工具Solve Elec。SolveElec是一款电路仿真器,“Low pass filter.eln” 模拟一个RC滤波器。在R3-C2、R4-C3分别放置一对低通滤波器(图1),可利用SolveElec仿真两对滤波器的频响特性。


钳位二极管D1为5.6V瞬态电压抑制器(TVS),由Vishay公司提供(VCUT0505-HD1)。D2-D3可以选用1N4148硅信号二极管,正向导通电压为0.6V至0.7V。物理尺寸较大的二极管,如1N4001-1N4007能够承受更大电流。R1和R3用于限制输入电流,输入电压由D1钳位(图1),介于-0.6V和5.6V之间。D4-D5为肖特基二极管(BAT54或SD101),正向导通电压介于0.25V至0.3V。R1、R3和R4三个电阻等效为串联,具有一定的限流作用,输入电压钳位在-0.3V和5.3V之间。


选用电感时,用L1替代R4,构成一个2或3极点的滤波器。此时,假设下一级电路具有高阻输入,传感器、传感器引线、R1和R3构成输入端接,R5为输出端接。L1配合C2或C3构成2极点滤波器,L1配合C2和C3构成3极点滤波器。连接一个L1的并联电容(C4)将为3极点滤波器增添一个阻带零点。可以利用Nuhertz.com的免费滤波器设计软件计算元件值,将数值代入SolveElec就可以得到完整的频响特性。

表1: MAX5490作为电压衰减器能够提供0.1%、0.05%和0.035%精度,温度系数优于2ppm/°C

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