#24V输入防反接电路
(部分图片参考东沃电子)
用于对输入的24V电源进行防反接及ESD保护,可用于EMC测试实验的电源输入保护,额定电流3A,后级电路最大损坏电压为48V。
1.24V输入防反接原理图
如上图所示,+24V_IN/GND_IN为开关电源输入端,+24V/GND为保护后的输出电压。
2.优选器件
3.电路计算
3.1 反接二极管计算
设定额定电流为3A,因此二极管的额定电流须>3A,也可选取导通压降低的二极管。
3.2 并接TVS管计算及选型
(1):TVS特性
TVS二极管,即瞬态电压抑制器,又称雪崩击穿二极管,是采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成的器件。TVS二极管有单向与双向之分,单向TVS二极管一般应用于直流供电电路,本例中选用的就是单向二极管。双向TVS二极管应用于电压交变的电路。当应用于直流电路时,单向TVS二极管反向并联于电路中,当电路正常工作时,TVS二极管处于截止状态(高阻态),不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到TVS二极管击穿电压时,TVS二极管迅速由高电阻状态突变为低电阻状态,泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地,同时把异常过电压钳制在较低的水平,从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后,TVS二极管阻值又恢复为高阻态。 具体工作示意图如下图所示:
(2):TVS二极管参数详解
• VRWM :截止电压, TVS二极管的最高工作电压,可连续施加而不引起TVS二极管劣化或损坏状态下,达到的最大的直流电压或交流峰值电压。 在VRWM下,TVS二极管是不工作的,不导通。
• VC:钳位电压,施加规定波形的峰值脉冲电流IPP时,TVS二极管两端测得的峰值电压。
• VBR:击穿电压,是TVS管的最小雪崩电压。大于此电压,TVS二极管迅速由高电阻状态突变为低电阻状态,在V-I特性曲线上,在规定的脉冲直流电流IT或接近发生雪崩的电流条件下测得TVS两端的电压。
• IR:漏电流,亦称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下,流过TVS二极管的最大电流,其值是在截止电压下测量的。
• IPP: 峰值脉冲电流,一般为负载电流的30倍,若是感性负载,一般为100倍。
• IT:测试电流。
• C:电容值,对于同功率等级的TVS管而言,电压越低电容值就越大。在通信线路的防护中,尤其要注意TVS管的电容值。
• 封装形式:从TVS管的封装形式,可以看出其功率大小。TVS管的芯片面积直接决定其功率等级,面积大的封装一般功率大些。
(3):TVS二极管选型指南
1)TVS管的截止电压要大于被保护电路的最高工作电压,本例中VRWM =28.2V>28V;
2)TVS管的最大钳位电压要小于后级被保护电路中的损坏电压;VC=45.7V<48V
3)IPP电流要大于瞬态浪涌电流,一般为负载电流的30倍,若是感性负载,一般为100倍;
4)要确定被保护电路中的最大直流或连续工作电压,电路的额定标准电压和“高端”容限;
5)TVS管的额定瞬态功率要大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率;
6)对于数据接口的电路保护,还需注意选取具有合适电容的TVS二极管。比如:当信号频率或传输速率较高时,应选用低电容系列的TVS管;
7)在使用TVS管过程中,考虑到TVS的离散性,尽量减少串/并数量;
8)对于小电流负载电路的保护,要有意识地增加限流电阻;
9)要注意TVS二极管的稳态平均功率是否在安全范围之中,TVS失效后,两端将短路;
根据1-3选型规则,本例中电源工作电压最大为V_RPM>28V,VC<48V,因此选用单向TVS,型号为SZP6SMB33AT3G。
SZP6SMB33AT3G对应VBR=33V,单向TVS管,峰值功率600 W @ 1ms。
3.3 共模电感计算
那么首先得了解共模电感的原理。原理是流过共模电流时磁环中的磁通相互叠加,从而具有相当大的电感量,对共模电流起到抑制作用,而当两线圈流过差模电流时,磁环中的磁通相互抵消,几乎没有电感量,所以差模电流可以无衰减地通过。因此共模电感在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号,而对线路正常传输的差模信号无影响。
共模电流可以认为是地线的等效干扰电压Ug所引起的干扰电流,当它流过两个绕组是,产生的磁场相同叠加,电感器对干扰电流出现较大的电感,由此起到了抑制地线干扰的作用。
通常情况下,同时注意选择所需滤波的频段,共模阻抗越大越好,因此我们在选择共模电感时需要看器件资料,主要根据阻抗频率曲线选择。另外选择时注意考虑差模阻抗对信号的影响,主要关注差模阻抗,特别注意高速端口。
根据共模电感的额定电流、直流电阻以及额定频率下阻抗值要求,可以按步骤进行设计:
共模电感最小电感值计算公式:
L= X1/2πf
Xl为频率为f时的阻抗值
扼流圈电感值是用负载(单位: Ohms)除以信号开始衰减时的角频率或以上频率。例如,在50Ω的负载中,当频率达到 4000 Hz 或以上时信号开始衰减,则需要使用 1.99 mH(50/2π×4000))的电感。其相应的共模滤波器构造,如下图所示:
选择所需滤波的频段,共模阻抗越大越好,因此在选择共模电感时需要看器件资料,主要根据阻抗频率曲线选择。
由于最大负载电流为3A,因此选用FL2D-30-222