本帖最后由 hailing 于 2017-6-30 10:30 编辑
我之前在电能表行业从事硬件设计，做了9年时间，现在已经换了个行业了。原来在电能表行业对于电能表抗4.4KV浪涌输入，485端口误接220Vac不损坏，电能表能够承受440VAC输入部分要求到1KVAC输入，设计三相表用的10W以内的开关电源等硬件单元电路是值得去分析，总结，优化原来的设计的。刚参加工作时无意认识了ourdev论坛，后来就养成了每天都要逛论坛的习惯。去年为了交差整理了电能表上用的保护类器件设计参考，现在整理了下放到论坛上。本文章没讲具体的设计电路，因为做硬件时间长了，觉得保护类器件也是一个大大的坑。保护的范围是一个很大的值，每次设计时都要考虑最差的情况。关于署名，想了下做硬件的在本论坛有电工，攻城狮，硬件狗等。就叫硬件狗多多。 关于发长贴，带各种图文的，这个是个技术活，论坛规定不准大字体，不知道我全部2号字体是不是就是默认的字体。慢慢学习如何发长帖了。
昨天看到一个帖子讲到稳压二极管并联的问题。我当时脑子中想到的是可以并联，因为稳压二极管保护时为把电压钳位到一个电压范围，这时稳压二极管本事会发热。后面有网友说因为二极管会击穿，所以会失去保护作用，但是我认为击穿是因为流过二极管的电流太大，超过管子的承受能力。但是多个稳压二极管并联时，要是流过的电流大，钳位电压也会变大，这时时候电流会流向其他的管子，这个管子的电流变小，钳位电压又变低，最后达到一个平衡，电流不会集中流过1个管子。所以就算不串限流电阻，还是能实现一定的均流效果。以上还停留在猜想阶段，需要实验验证下。
压敏电压热敏电阻TVS等常用保护类器件介绍
--硬件狗多多2017.6.30
1：简化的等效公式 U破坏源=I*R总电阻 + U箝位电压 （备注：虚线框内的可以看过保护类器件+连接的导线或铜箔的等效模型） U破坏源：比如浪涌的4.4KV，电能表输入1.9Un电压，误接到485端口上的Un电压。也是一种信号源，但是为了与正常的信号源区分，这里使用破坏源来表示。（备注：针对国内电网来说，Un为220VAC） R总电阻：总电阻包括2部分：
1》：表外的阻值：由破坏源内阻和连接线组成。统称R源阻 比如浪涌的2Ω内阻，以及电压线（mΩ级别）。--针对浪涌仪器模拟浪涌来说； 2》：表内从接线端到箝位类保护器件前总电阻。统称R内阻 主要由： 导线的电阻 热敏电阻的阻值 固定阻值的电阻，比如绕线电阻。也可以是电感内阻 (包括直流电阻部分+感抗部分) U箝位电压：箝位保护器件在对应电流下的箝位电压。一般随着电流的增加而增加。当超过其最大承受功率时箝位保护器件会短路（或阻值变的很小）或开路。 箝位类保护器件动作时功率：I* U箝位电压，不能按照I^2*R计算，因为R不确定。 承受能量为对破坏源时间的积分：∫0t I* U箝位电压。I和U箝位电压都是随保护器件本身特性和时间可变的参数，按近似计算。可以根据示波器得到的面积来换算。 几类常见的箝位保护器件： 1〉压敏电阻：材料为氧化锌，有浪涌次数的限制，箝位电压范围很宽，ms级别时间以上过电压会导致有阻值(100欧姆左右)，这种情况在线上只能烧压敏。动作速度较慢。常用的有兴勤的TVR系列20681，20821。EPCOS的S20K420（注意，压敏电阻型号前面的2个数字表示内部氧化锌的直径是20mm，常用的还有14mm的，直径越大能够吸收的能量越大。后面几位表示钳位电压，国内的厂家用整流后直流电压表示，所以681表示680VDC还要除以1.414.而国外的EPCOS直接是交流值，420VAC(简单明了的表示法）。压敏电阻坏了最终会被电网烧成开路。往往因为压敏电阻选取的电压不够。 2>热敏电阻：使用正温度系数材料制作，既PTC类器件。阻值从较小变为很大需要一个动作时间，在这个动作时间内需要箝位器件承受极大的电流。 需要考虑在高温情况下热敏电阻是否会误保护。 电能表常用的为485保护电路中的热敏：WMZ12A-85LB50RMUP030B3.3-G6B。 对于工频变压器的高压输入保护可以在变压器初级串一个动作电流在变压器最大输出功率和最大工作温度以及最大允许输入电压满足这3个条件下可以工作的热敏PTC类器件。 热敏PTC器件加高压会冒烟，外皮烧焦等，去掉高压往往还是能工作。比一般绕线电阻和贴片电阻生命力顽强。加的电压太高热敏电阻还有有部分热熔的现象。
热敏电阻的串联增加耐压没什么效果，因为最终只有1个热敏动作电阻变大，根据I^2*R，由这个热敏承担绝大部分电压。其他热敏不会再动作。
3>TVS二极管：动作速度快ns级；箝位电压比压敏准确些。分为单向和双向TVS管。对于小功率的场合常用的有SMBJ系列贴片，P6KE系列插件。A为单相，CA为双向。坏了内部PN结会击穿。用于485电路的TVS管坏的情况很少，主要是考虑TVS的结电容对靠上拉电阻拉升A，下拉电阻拉B时上升下降沿影响
4〉稳压二极管：箝位电压准确；抗冲击电流能力差（与电解电容短接后会被击穿） 常用的插件有1N47系列(1W)。贴片的TCLLZ系列（玻璃圆柱形，不推荐使用）。LRC贴片的LMSZ可以考虑。 5〉二极管：包括普通二极管和芯片IO内部的伴生二极管。主要对信号通过GND和VCC经行箝位。需要串电阻使用。  注意，D1D2和连线之前有一个电气连接点没画出来。 关于VCC的钳位能力，以为一般的LDO或DCDC输出没有吸收能量的能力，所以当外部当外部输入高压时，VCC电压也会被抬高，要想避免VCC被抬高的太离谱，可以在VCC上并稳压二极管或TVS。再想完美一些，可以使用2个互补的三极管或mos管组成的”二象限“电源供电。这样VCC不管对外输出电压还是外部有高压输出，VCC电压都能纹丝不动。 前段时间设计在串口工装中的电路如下：
由Q10和Q11组成图腾柱输出，这样既能对外输出又能吸收电流。 IO口串自恢复保险丝，误接正负24V没压力，偶尔不小心接更高的电压也没问题。二极管换的功率更大的肖特基，自恢复选600V耐压的热敏PTC，抗误接220VAC也没问题。
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发表于 2017-6-30 10:27:24
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