【導(dǎo)讀】過電壓保護(hù)與雷電防護(hù)一直是電子行業(yè)的熱門話題。相信許多的工程師們每天都在不斷鉆研這個(gè)問題。在深圳舉行的第二屆電子信息博覽會(huì)中，由電子元件技術(shù)網(wǎng)在會(huì)展中心六樓舉辦的2014安防電子技術(shù)研討會(huì)上，順絡(luò)電子的專業(yè)大咖唐工為我們帶來了最新的技術(shù)方案和解決辦法。
在實(shí)際的視頻監(jiān)控系統(tǒng)防護(hù)當(dāng)中，因?yàn)槭艿襟w積的限制，所以在視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般會(huì)需要一個(gè)防雷盒子，因?yàn)橄駭z像頭很多是在戶外工作的，所以后面用到防雷盒子，用防雷盒子有兩個(gè)局限性，第一，這個(gè)盒子會(huì)添加整個(gè)系統(tǒng)的方案成本，還有在一些布線的地方會(huì)有一些局限。
在安防設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)這一塊的話會(huì)受到兩個(gè)類型過電壓的破壞，一個(gè)是雷電感應(yīng)過電壓，一個(gè)是操作過電壓。
對(duì)于攝像機(jī)來說，因攝像機(jī)功率較小，其中自身產(chǎn)生的操作過電壓也較小，雷電感應(yīng)過電壓是攝像機(jī)必須承受的主要過電壓，DVR/NVR等則可能遭受來自雷電和操作過電壓的破壞。感應(yīng)過電壓產(chǎn)品的途徑：供電線路、網(wǎng)絡(luò)接口、信號(hào)線接口。今天的重點(diǎn)是供電線路。
根據(jù)IEC61000-4-5的標(biāo)準(zhǔn)以及在實(shí)際操作中客戶的需求，12VDC電源線間差模雷電承受：2KV（1.25/50μS）或1000A（8/20μS）；
24VAC或POE電源線對(duì)地共模雷電承受：4KV（10/700μS）/100A；
24VAC或POE電源線間差模雷電承受： 2KV（10/700μS）/50A。
在雷電過電壓防護(hù)這一塊，主要的器件包括壓敏電阻，TVS，GDT。順絡(luò)這次推出的一個(gè)在性能和價(jià)格比較有優(yōu)勢(shì)的是SDVD系列的這個(gè)產(chǎn)品，相對(duì)引線式的壓敏電阻來說，它采用的是多層的結(jié)果，所以我們可以通過調(diào)整壓敏內(nèi)部的厚度使尺寸做得更小，能夠耐受的脈沖電流可以有更大的效果。后面的議題主要是針對(duì)這三種器件做縱向的比較，根據(jù)它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)做組合的方案，盡可能達(dá)到性價(jià)比比較好，整體的防控能力比較強(qiáng)的目的。
像攝像機(jī)這塊空間會(huì)受到限制，在戶外工作的話需要耐受很大的雷電過電流的沖擊，所以傳統(tǒng)的插件壓敏電阻用起來就會(huì)有各種各樣的局限性，并且這種插件性的產(chǎn)品，因?yàn)閮?nèi)部是一個(gè)單層的結(jié)構(gòu)，所以在低電壓這一塊，能夠耐受的電流比較低，在攝像機(jī)這塊它的效果沒那么好。我們的片式是多層的結(jié)構(gòu)，所以在尺寸這一塊會(huì)有優(yōu)勢(shì)。所以在安防領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)這一塊它的應(yīng)用是非常合適的。這是一個(gè)性能對(duì)比。
對(duì)于最大直流工作電壓不大于56V的壓敏電阻，貼片式產(chǎn)品的耐受脈沖電流遠(yuǎn)大于引線式產(chǎn)品； 貼片式壓敏電阻的產(chǎn)品尺寸遠(yuǎn)小于引線式壓敏電阻，故在整機(jī)空間有限制時(shí)，可以采用貼片式壓敏電阻，如網(wǎng)絡(luò)攝像頭部分。
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下面針對(duì)這三種過電壓的防護(hù)器件做橫向的對(duì)比。過電壓器件在用的時(shí)候，包括壓敏電阻，TVS，GDT都是并聯(lián)在需要保護(hù)的電路前段，當(dāng)有一個(gè)過電壓來的時(shí)候，像這種1.2/50us雷電波形來的時(shí)候，同時(shí)起到線壓的作為。這邊引起了一個(gè)限制電壓的概念，就是保護(hù)器件能夠把過電壓限制到安全的電壓，這個(gè)限制電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)能夠耐受的容許電壓。
這是壓敏電阻和TVS、GDT的對(duì)比。
響應(yīng)時(shí)間比較是在引線式元件結(jié)構(gòu)下比較的。若是貼片式結(jié)構(gòu)，壓敏與TVS響應(yīng)時(shí)間不大于2.5ns，GDT響應(yīng)時(shí)間不大于50ns；以上三種元件可以用于不同的線路保護(hù)位置，相對(duì)比較壓敏電阻具有很好的性價(jià)比。
下面我們會(huì)看到一些更加具體的數(shù)據(jù)。
工作電壓 5.5~100Vdc（SMDJ* 11~100Vdc），兩類產(chǎn)品間工作電壓對(duì)應(yīng)替換，壓敏電阻尺寸遠(yuǎn)小于TVS，且壓敏電阻性能優(yōu)于相對(duì)應(yīng)TVS，但其成本降低30%；與其他過電壓保護(hù)器件相比，壓敏電阻在溫度特性、阻燃特性、EMC效果方面具有更優(yōu)性能。
隨著工作電壓增高，通過TVS的脈沖電流能力大幅度下降,而通過SDVL壓敏電阻的脈沖電流能力幾乎不變；因此，壓敏電阻可更好地用于高電壓、高脈沖電流幅值的線路中，進(jìn)行過電壓抑制及浪涌吸收。
在EMC效果這一塊，TVS/GDT/PESD沒有吸能能力，脈沖能量一直在電路中存在，在地線上會(huì)形成 Ldi/dt 電磁干擾，須并聯(lián)電容降低di/dt。
壓敏電阻具有內(nèi)阻，能夠吸收部分能量，降低脈沖電流幅值及di/dt，在線路中具 有EMC功能。
溫度特性，片式壓敏電阻陶瓷屬熱良導(dǎo)體，具有很好的散熱能力，在高達(dá)85℃ 時(shí)仍保持脈沖電流穩(wěn)定的溫度特性。TVS因其材料特性，溫度特性從25℃脈沖電流開始衰減。
壓敏電阻和TVS性能比較。可以看到，紅色的是TVS，藍(lán)色的是壓敏電阻，壓敏電阻與TVS比較，具有較強(qiáng)的脈沖電流承受能力及較小的尺寸，具有良好的性價(jià)比，限制電壓較高。經(jīng)過設(shè)計(jì)可以有效地應(yīng)用于共模、差模的雷電防護(hù)線路。若線路具有較高的脈沖電流、被保護(hù)元件耐脈沖電壓能力差，則可將壓敏電阻與TVS配合使用，達(dá)到理想的防護(hù)效果，降低設(shè)計(jì)成本。
在工作的范圍內(nèi)，壓敏電阻限制電壓比TVS要高一些，但是它能夠耐受的脈沖電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TVS，兩者有各自的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)來說TVS限制電壓的能力會(huì)更低，壓敏電阻能夠耐受的脈沖電流更大一些。在一些線路當(dāng)中必須去耐受比較大的脈沖電流，但是能夠耐受的過電壓能力比較弱的這種情況下用壓敏電阻跟TVS進(jìn)行配合使用的話會(huì)達(dá)到非常好的效果，而且整體的設(shè)計(jì)成本會(huì)更低。
這是壓敏電阻和GDT性能比較。紅色代表的是壓敏電阻，藍(lán)色代表的是GDT。這是我們做的一個(gè)試驗(yàn)。
壓敏電阻具有良好的電壓箝位特性，在箝位區(qū)內(nèi)，隨著沖擊電流的急劇增大，箝位電壓小幅度平緩增加，具有脈沖能量耗散能力；
GDT擊穿電壓高，耐受脈沖電流大，其殘壓峰值高，需要二級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)方可安全可靠；
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在相同脈沖電流下，GDT的殘壓尖峰值（Up）為壓敏電阻殘壓的2-3倍，而且分散性較大，尖峰值持續(xù)時(shí)間（T）不超過2μS，限制電壓（Ur）不超過30V，無脈沖能量耗散能力。若其尖峰值對(duì)被保護(hù)元件有損傷，則須進(jìn)行二級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)；
壓敏電阻成本較GDT低，二者配合使用會(huì)達(dá)到理想的防護(hù)效果，且能降低設(shè)計(jì)成本。
最后一部分是監(jiān)控系統(tǒng)電源供電雷電防護(hù)方案。這個(gè)防護(hù)方案目前在一些企業(yè)當(dāng)中得到了驗(yàn)證。第一個(gè)是12V直流供電線路雷電防護(hù)。這邊是給出了兩種方案，第一種方案是采用壓敏電阻加TVS加磁珠的組合，我們的測(cè)試結(jié)果是這樣的。
方案A所承受的脈沖電流峰值遠(yuǎn)大于壓敏電阻或TVS，而被保護(hù)IC兩端的殘壓不超過40V，充分發(fā)揮了壓敏電阻和TVS自有優(yōu)勢(shì)。
這是另外一個(gè)方案，這個(gè)方案比較簡(jiǎn)單。
在IC前端、直流電源間采用一級(jí)防護(hù)，設(shè)計(jì)大功率TVS（5.0 SMDJ15CA），其性能基本滿足該電源雷電標(biāo)準(zhǔn)，但設(shè)計(jì)成本很高。
這兩個(gè)方案可以用在不同的地方，比如說一些芯片能夠耐受的過電壓特別低的時(shí)候用TVS管，如果你對(duì)性價(jià)比有希望的話可以選擇方案A。
這是方案A和方案B性能和價(jià)格的對(duì)照。
對(duì)于12V直流供電線路雷電防護(hù)方案，方案A承受脈沖電流能力大于方案B，其限制電壓稍高于方案B，其綜合性價(jià)比優(yōu)于方案B。對(duì)于脈沖絕緣耐壓優(yōu)良的IC，可采用方案A。對(duì)于脈沖絕緣耐壓很低的IC，則可考慮方案B。以上選擇須以試驗(yàn)驗(yàn)證。
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還有一塊是針對(duì)POE，因?yàn)楝F(xiàn)在很多室外的槍機(jī)或者球形機(jī)可能取電不是很方便，所以可以直接用POE做供電，POE是一個(gè)48V的電壓，這個(gè)方案也可以用于24VAC下，共模和差模這兩個(gè)雷電方案都需要做，這是行業(yè)內(nèi)給出的標(biāo)準(zhǔn)：
同樣我們也給出了兩個(gè)方案，方案A和方案B，方案A
方案B
對(duì)方案A和方案B進(jìn)行比較，可以看到方案A可以耐受的脈沖電流和限制電流能力會(huì)大于方案B，在成本這一塊，在共模這一塊，壓敏電阻的成本是GDT的一半。在差模這一塊，壓敏電阻的成本是TVS管的二分之一到三分之一。采用壓敏電阻的劣勢(shì)是它的限制電壓比TVS管要高一些，針對(duì)這兩種方案我們也可以做靈活的選擇。對(duì)于POE或24VAC供電線路雷電防護(hù)方案，方案A承受脈沖電流及限制電壓能力大于方案B，其綜合性價(jià)比優(yōu)于方案B。對(duì)于脈沖絕緣耐壓優(yōu)良的IC，可采用方案A。對(duì)于脈沖絕緣耐壓很低的IC，則可考慮共模用壓敏電阻、差模用TVS。以上選擇須以試驗(yàn)驗(yàn)證。這個(gè)方案根據(jù)客戶不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有時(shí)候結(jié)果會(huì)有一定的差異，都需要做實(shí)際的測(cè)試。
這是我今天主要的內(nèi)容。今天的議題很簡(jiǎn)單，我們推出了一個(gè)比較新型的貼片壓敏電阻，這個(gè)壓敏電阻是可以做雷電防護(hù)的，因?yàn)樗膬r(jià)格比較低，能夠耐受的脈沖電流比較大，尺寸也比較小，所以特別適用在攝像頭，希望有這個(gè)需求的工程師我們可以做進(jìn)一步的探索。
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