■ IDT-新涛科技(上海)有限公司工程师 陈振生
前言
随着集成电路的集成度越来越高，电路越来越复杂，工作电压越来越低，对环境稳定性的要求也越高。一方面由于电子设备内部结构高度集成化，从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对过压和过流的承受能力下降，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受过压和过流侵入。
由于电信业的竞争日益增加，电信服务供应商对电信设备供应商提供的高可靠性网络设备的需要也相对提高。过压和过流的危害通常是由：雷击、临近电线引起的感应和直接与电源线碰接或用户设备故障所导致。这些危害可能危及电信网络设备用户和维护人员。因此电信设备供应商以增加设备的抗过压和过流的能力来降低电信系统维护成本和提高电信系统可靠性。本文探讨IDT的T1/E1线路接口集成电路用在电信网络设备中的典型保护方法。
电信系统保护
电信系统中的过压和过流是由于雷击已及经由交流电源网络交互作用所致。直击雷的能量和初始功率极大，对设备造成的危害是灾难性的。然而最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的。浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入电信设备，过压和过流可能由直接或间接方式流入电缆线中，或是经由地电流作用而流入地下电缆。由于电信系统缆线经常与电力系统共用同一传输设备或同一接地，感应电流经常可由电信系统用户接口中tip和ring 测量到。电信系统中的过压和过流会以纵向(longitudinal)和金属化(metallic)二种模式发生。纵向模式发生在tip和ring与对地电阻不相等的情况。纵向过压和过流是较常见的状况，多半发生在电源感应时或电源错接的环境中。雷击产生的过压和过流也是电信系统中在信号不平衡环境中的典型纵向模式的过压和过流。金属化模式即是发生tip和ring之间的过压和过流情形，也可以说是网络间信号不平衡的结果。
电信系统中的过压和过流保护一般分为初级保护，二级保护和三级保护。由于篇幅所限，本文主要讨论二级保护。二级保护是处理初级保护之后残余的过压和过流。二级保护通常安装在需要被保护的设备上，同时这种保护处理是电信设备供应商的责任，其要求条件要根据相应规范及电信运营商需求而定。
二级保护的特点
二级保护应具有过压和过流保护功能，通常由限流器和限压器来完成。
限压器
理想的通信线路限压器应是电容小、残压低、通流大、响应快。常见的几种限压器元件及其工作特性如下：
*过电压放电器/气体放电管 过电压放电器/气体放电管是具有一定气密的玻璃或陶瓷外壳，中间充满稳定的气体，如氖或氩，并保持一定压力。电极表面涂以发射剂以减少电子发射能。这些措施使得动作电压可以调整(一般是70伏到几千伏)，而且可保持在一个确定的误差范围内。当电压升高至放电电压Ua之前，GDT(气体放电管)是一个绝缘体(电阻Riso>100MW)。当电压升高到大于放电电压后，过电流大部分泄入大地，产生电弧放电，电压会降低到几乎与电流大小无关的电弧电压(10V~25V)。当电流下降到低于低限值时，放电器会熄灭电弧并恢复其原来的高电阻状态。GDT通常是安装在承受运行电压的线路支线上，因此就有放电器不能熄弧的风险。所以对熄弧性能有一定的要求。GDT的能量吸收能力与其它电压限制装置相比是非常高的。放电特性也受电压上升速度的影响。这种装置的两电极和三电极型应用于电讯工业中。三电极型专门为成对线路设计，可以理解为带一个公共电弧室的两个组合电极的放电器。这种设计可确保在两个室中同时产生电弧，因而当两条线中同时发生干扰时，可以获得最优的共模干扰抑制。
*变阻器/VDR 变阻器是陶瓷元件。例如，将氧化锌(与其它添加剂一起)在一定条件下烧结，电阻就会受电压的强烈影响。这个特性也是其名字(电压变阻器)的由来。电流(I)随着电压(U)的上升而急剧上升。正式的关系由公式I=aKU表达，其中K是与几何形状有关的元件常数，a是一个非线性指数。变阻器的特性是当处于工作电压时，压敏电阻值极大；在雷电波侵入作用下，它的电阻值甚小，向大地泄放电流。由于电流过大，因此变阻器内部发热量很大。变阻器在远高于其额定电压的情形下运行一般只可能保持很短的一段时间。
*齐纳二极管 双向齐纳二极管具有与变阻器类似的导电特性，对正向和反向电流在电流/电压特性上有一个拐点。非线性指数比变阻器要高，使二极管的“开通”更为急剧，因而可以有效地规定限制电压。其结构是两个二极管反向串联，可获得对称性。运作于“反向”方式下的二极管PN结阻挡层一般可阻止电流经过。当电场强度超过一定水平时，电子就会脱离其晶格束缚(即齐纳效应)，而已经大大加速的带电粒子会从晶格中推出更多的粒子(即雪崩效应)。结果就是阻挡层的“突破”并产生电流。这个“突破”电压称为齐纳电压Uz，电压稳定效应则是由于当电压大于Uz时，很大的电流变化只产生很小的电压变化。齐纳二极管的稳压效应比变阻器要好。齐纳二极管的能量吸收比变阻器小，因为其阻挡层比变阻器层要薄得多。因此齐纳二极管的负荷承受能力要低得多，由此所出现的过热情况可以部分地用压制成形的金属电极补偿，电极可以散掉热量，但也增加了体积。抑制二极管是一种特别的保护二极管，具有很短的反应时间及很高的尖峰电流负荷承受能力。
*闸流二极管 由于放电电流中伴有很大的电压降，变阻器和二极管必须吸收大量的能量。在保护设备起作用之后，容许把故障电压降低到远低于保护电平的值，甚至低于运行电压，以便减少能量的转换。这种特性类似于放电器的“火花放电”。在半导体元件中，上述特性可以在闸流二极管中观察到。闸流二极管开始会阻塞，直到达到放电电压时，电压下降至几伏并产生放电电流。当电流下降到最小值时，闸流二极管会重新阻塞，并恢复其原来的断路状态。与GDT一样，在这种情况下，必须满足干扰清除后会安全停止放电的要求。闸流二极管有单向和双向元件。其特点是高尖峰电流和短反应时间，因而特别适用于较高的保护电平(几十伏到几百伏)。
设计相同的齐纳和闸流二极管其限制电压与容许放电电流的关系取决于半导体。这些二极管的结构和尺寸决定了能吸收的功率大小。随着限制电压的提高，齐纳二极管的容许电流呈双曲线下降，然而闸流二极管的容许电流几乎是恒定的。其原因是，在闸流二极管放电以后，电压降几乎与电流大小无关。由此可见，在结构体积相同的情况下，齐纳二极管较适用于低的限制电压，而闸流二极管则适用于高的限制电压，其分界点是50V左右。
*热敏电阻 以上所讨论的元件其功能都是基于纯电压效应。热敏电阻在温度升高时电阻会减少。与任何电阻一样，电流所产生的电能损耗会使热敏电阻升温，使电阻下降，电流升高。结果就形成了与稳压元件相似的电流/电压关系。但是只有在反应时间之后，这种效应才会发生。所以保护作用受到元件热惯性的影响。
*TVS器件 瞬态电压抑制器简称TVS。TVS具有体积小，功率大，响应快，无噪声，价格低等诸多优点，是目前国际上普遍使用的一种高效能的保护器件。它的外形与普通二极管无异，但却能“吸收”功率高达数千瓦的浪涌信号。TVS器件的主要特点是在反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时大脉冲时，其工作阻抗立即降至很低的导通值，允许大电流通过，同时把电压箝制到预定水平；其响应时间仅为1×10-12秒，因此，可有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。另一类TVS是双向的，它正负两个方向均可“吸收”瞬时大脉冲。这类双向TVS用于交流电路是极方便的。由于它响应时间快，瞬态功率大，漏电流小，击穿电压偏差小，箝位电压较易控制，没有损坏极限，体积小等优点，因此TVS应用十分广泛。
图1 金属化(metallic)模式的过压和过流保护
图2 纵向(longitudinal) 模式的过压和过流保护
限流器
限流器的电流限制特性有两个功能：第一、当超过电流限值时，无条件地切断电路或者加以限制；第二、去耦与/或抑制短暂电压/电流尖峰(大部分情况下与电压限制元件一起使用)。
限流器可以是一个电阻、保险丝或PPTC自复式电路保护元件来完成。
*电阻 电阻是去耦的最简单方式，一般没有断路的功能。电压尖峰所产生的短暂电流尖峰会在电阻上产生相应的压降，因而减少了干扰的影响。去耦元件常常与电压限制元件一起用于电路中而作为串联的电阻器。
在应用中最大允许串联电阻常常受到很大的限制(限制为几欧)。一方面，要求在工作电流下的电压降低；另一方面，要求在工作电流下保护电阻器不会过载，由于去耦效应与电阻值成比例，所以使用电感器应该有所帮助。
*保险丝 保险丝是传统的电流限制元件，是由导电熔丝构成，置于线路中受保护元件的前边。熔丝具有一定的电阻，熔丝的温度在一定电流下会上升(温度取决于热容量、辐射和散热)，直到熔丝熔化，从而实现保护。
电感(线圈)可对短暂尖峰具有很高的去耦效应，而同时保持很低的直流电阻。但也有一个缺点：其阻抗随频率而变，因而严重损害保护元件的传输性能。
*PTC(正温度系数)电阻器 通常是陶瓷元件，在正常温度下呈现欧姆特性，因此像电阻器一样是去耦元件。温度升高时，初始电阻基本保持不变。当超过一个特定的温度后，电阻急剧上升(上升104倍~106倍)，当温度再升高时，电阻的上升又变平缓。温度上升可能由于外部加热也可以由电流产生的内部加热。在内部加热方面，PTC电阻器与保险丝相似，不同的是当故障清除以后，PTC电阻器能自动地接通线路。因此，这种元件可以提供过电流保护而不需要太多的维护。
保护设计的范例
图1和图2分别是金属化模式和纵向模式的过压和过流保护电路图，供有关设计人员参考。具体的电阻值请参见IDT的数据手册。■
摘自《电子产品世界》
|