保护家电和专业电子系统组件的利器—协同电路保护方案

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  在各种家电和各种专业设备中的电机,控制器和诸多的电子部件,均可得益于所用的协同电路保护。如今的高分子正温度系数(PPTC)过电流保护部件,能够提供极低的电阻,并且在体积上也能与传统的保险丝解决方案相匹敌。就像传统的保险丝一样,可以限制故障条件下所产生的危险大电流。然而除此之外,这种PPTC部件还能够在故障消除以及为电路供电的电源重新供电后,直接实现自复能力,从而无需更换熔断的保险丝。
  如今,各类设备制造商特别关注的是如何避免越来越先进且日益复杂的各类控制板遭受由误连接、电源突波或短路所引起的各类损坏。虽然如今家电中的变压器的封装形式和连接方式都已能承受更高的电压瞬变,但电路板上所用的各类敏感的固态部件仍需要改善其过电流、过温和过压控制。
  另外,协同式过电流和过压保护还能够帮助设计师使其设计的产品能够更好地符合安全主管机关的各种要求、减少所用的部件数量并改善设备的可靠性。例如,在协同线路保护解决方案中采用的金属氧化物压敏变阻器(MOV),与额定值为线电压的PPTC过电流保护部件一道使用,就能够帮助制造商更加满足IEC 6100-4-5标准,该标准是全球需要连接交流电源的各种设备中电压和电流所通用的测试标准。
  


  
  控制器保护
  
  传统上,人们一直利用一次性保险丝技术来保护电子电路免予遭受由各种过电流所引起的损坏。采用这种解决方案,当出现线路连接错误或者由于电路中的部件失效所导致过电流时,保险丝就会熔断,从而切断电连接,进而防止出现更大面积的破坏甚至起火的危险。但这种技术的问题在于,系统中一个部件的损坏就能够导致下游乃至所有的部件都无法工作。一旦出现这种情况,就必须派人去更换所有受影响部件的保险丝,方可使系统重新正常工作。
  相较之下,采用可恢复式故障保护技术的控制器和远程设备,能有助于减小系统中故障的影响,减少受影响的系统元数量,并缩短维修时间。在许多工业控制器应用中,利用PPTC部件替代一次性使用的保险丝,使得设计师能够在严苛应用接口上实现同等级的过电流保护,与此同时,当系统中由于外部故障引起大电流条件时,大大减少了更换保险丝或者进行维护所需的时间。
  除了上述的控制器之外,只要是需要电源、模拟电路或通信总线接口的任何远程遥控传感器,或者执行器,都能受益于PPTC部件的应用(见图2)。当发生错误连接、电源线交叉或者交流电源输入中的零线没连接好时,图中的这些系统元都会导致损坏。
  


  
  交流电源应用中的协同保护
  
  从厨房用的小家电到各种专业级的烤箱,日益复杂且功能日益增多的趋势都驱使着业界朝向高整合度和更小的体积方向发展。如何保护敏感的电子部件免予遭受电压瞬变、短路以及用户的误操作所引起的破坏,是如今制造商首要关心的问题。
  由于雷击或者发电厂负载切换瞬变会在交流电源上产生高压或者电源瞬变,从而对电器设备造成潜在的破坏。因此,电源输入上的协调过电流和过压保护能够帮助设计者满足安全机构的各种要求,并减少所用零部件的数量和成本。
  图3中显示了如何利用MOV部件与PPTC部件一同来改善恶劣交流环境中设备的可靠性,并有助于符合IEC- 61000标准中的测试要求。
  


  基于MOV部件所具有的大电流处理能力,高能量吸收能力、快速响应能力及低成本,使其非常适合用于交流电源、控制板变压器以及电机里的过压保护。而PPTC过电流保护部件的交流额定电压也是240V,所允许的最大间歇交流电压为265V,从而能够与MOV部件一起安装到交流电源输入端。
  与一次性应用的保险丝不一样,在吸纳电流稍微增加即可引起温度大幅增加的场合,利用可恢复式PPTC部件有助于保护设备免受过温的破坏。当把PPTC部件安装在靠近像磁热发电部件、场效应管(FET)或功率电阻这类潜在的发热部件的电路初级端时,仅用一个单一部件即可同时提供过电流和过压保护。
  有时电源过载将会引起MOV部件保持在钳位状态,同时却仍继续导通电流。这最终将会导致设备出现过热故障。虽然不能直接使用使其通过IEC61000-4-5标准中的测试条款,但通过将PPTC部件放置到靠近MOV部件附近的热源处,有助于在延长的过载情况下保护MOV部件。其工作原理是把热量转移到了PPTC部件上,这将使得PPTC部件启动更快,从而限制了通过MOV部件的电流。
  可根据IEC 61000-4-5标准来为具体应用选择合适的PPTC和MOV部件,主要考虑的是设备的等级以及设备本身的工作环境条件。在选择PPTC部件时,主要考虑因素是使部件的电流处理能力与电器设备在正常工作条件下所吸纳的电流相匹配。
  
  LCD热保护技术
  
  今日,液晶显示器(LCD)已被广泛地应用在各种家电中,而且其往往需承受很大的温度变化。由于LCD在温度过低时效能较差,通常采用加热器来提高显示器的温度,以提升其效能。一般的做法,是加热器与温度传感器一起使用,将温度传感器连接到一个微处理器控制的开关上,该开关用来调整加热器,并在LCD温度超过其规定极限时切断加热器,实现高温关断功能。
  这种解决方案的缺点,是过热控制所依赖的微处理器与控制加热部件的处理器为同一个处理器,而如果加热控制故障是由于微处理器或者其他功能控制元部件所引起,高温关断功能将会失效。如果该控制电路失效,则流过加热部件的电流将增大,从而将导致热失控。
  安装PPTC部件时,如果使其独立于主加热器控制器,将会有助于保护LCD和热控制电路免予遭受过温损坏。如图4所示,通常将PPTC部件安放在电源和加热器之间,与加热的LCD面板呈热导关系。于是,来自LCD热量被转移到PPTC部件上。当LCD达到规定的切断温度时,PPTC部件启动,从而减小流过加热部件的电流。一旦故障被排除后重新加电,电路将自动恢复到正常的工作状态。
  


  
  总结
  
  协同式过电流、过压和过热保护方案有助于设计师减少所用的零部件数量,并减少由于电机和控制板变压器故障所导致的保固维修。基于PPTC的低阻、快速启动、体积小且可恢复等功能,使其能够帮助电路设计师提供安全且可靠的产品,并能符合安全主管机关的各种要求。
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