常见EMC防护器件使用分析.docx

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常见EMC防护器件使用分析

关键词：

TSSTVSGDTEMC

摘要：

平时设计中每一个监控产品都有它的防护方案，这些防护措施中总离不开EMC防护器件，目前我们常用的有GDT管、TSS管、TVS管等。

本文分析了这些防护器件的基本作用原理，并举例说明，以供测试硬件可靠性的小伙伴们参考。

1案例描述

目前每一个监控产品都有自己的EMC防护措施方案，每个方案里都有各自的防护器件，常用的器件有GDT管、TSS管、TVS管等，这些器件在电路中分别起到什么作用？

如何正确的使用这些防护器件，本文将进行具体说明，使大家有一个初步的认识。

2案例分析

2.1气体放电管

2.1.1GDT管简介

气体放电管GDT（gasdischargetube）实质是一种密封在陶瓷腔体中的放电间隙，腔体中充有

惰性气体以稳定放电管的放电电压。

其主要特点是通流能量大，可达数十至数百KA，绝缘电阻极高，无漏流，无老化失效，无极性双向保护，静态电容极小，特别适用于高速网络通讯设备的粗保护。

气体放电管是一种常用的过压保护产品，它依靠气体电离击穿放电来达到对过电压能量的释放。

广泛用于各种电源及信号线的第一级雷击浪涌保护。

气体放电管的主要参数有：

1）反应时间指从外加电压超过击穿电压到产生击穿现象的时间，气体放电管反应时间一般在μs数量极。

2）功率容量指气体放电管所能承受及散发的最大能量，其定义为在固定的8×20μs电流波形下，所能承受及散发的电流。

3）电容量指在特定的1MHz频率下测得的气体放电管两极间电容量；气体放电管电容量很小，一般为≤1pF。

4）直流击穿电压当外施电压以500V/s的速率上升，放电管产生火花时的电压为击穿电压；气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压，其值取决于气体的种类和电极间的距离等因素。

5）温度范围其工作温度范围一般在－55℃～＋125℃之间。

6）绝缘电阻是指在外施50或100V直流电压时测量的气体放电管电阻,一般>1010Ω。

2.1.2GDT管使用实例

GDT应用领域主要有：

AC电源、DC电源接口、485电路、视频接口、以太网接口等，部分

监控产品中例如IPC、SVR产品的以太网接口有POE供电功能，其中POE电源部分采用GDT（BA401N+）气体放电管对浪涌冲击进行防护，在电路中的位置如下图所示：

2.2TVS管

2.2.1TVS管简介

电压钳位型瞬态抑制二极管（TVS），是一种用于吸收ESD能量、保护系统免受ESD/Surge

损害的固态元件，一般应用在被保护系统的前级。

TVS管其工作原理为在反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗

能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏，如下图所示：

双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制到预定水平。

双向TVS适

用于交流电路，单向TVS一般用于直流电路。

TVS管失效模式主要是短路，但当通过的过电流太大时，也可能造成因TVS被炸裂而开路。

TVS的使用寿命相对较长。

它与电路并联使用,电路正常时TVS处于关断状态呈现高阻抗,当有浪涌冲击电压时能以nS量级的速度从高阻抗转变为低阻抗吸收浪涌功率,使浪涌电压通过其自身到地,从而保护电路不受侵害。

2.2.2TVS管使用实例

TVS管应用发展趋势将会朝着低压、低电容方向发展，这类产品突出的性能特点有：

1.低电压：

低电压工作的便携式设备（PDA）应用方面；

2.低电容：

高速数据传送，如：

T1/E1,Ethernet,USB和视频；

3.低漏电流：

对于便携式低功耗设备。

下图为一款IPC产品的DCJACK原理图，从图中可以看到D1（SMCJ18CA）是一颗常用的TVS管，其作用为保护产品的12V电源接口。

2.3TSS管

2.3.1TSS管简介

电压开关型瞬态抑制二极管（TSS—半导体放电管）,其工作原理与气体放电管类似，而与压

敏电阻和TVS管不同。

当TSS管两端的电压超过TSS管的击穿电压时，TSS管将把过电压钳位到比击穿电压更低的接近0V的水平上，之后TSS管持续这种短路状态，直到流过TSS管的过电流降到临界值以下后，TSS恢复开路状态。

TSS管不能直接用于有源电路。

相对于其他浪涌抑制器件，半导体放电管的优势在于：

1）反应速度快，残压低；

2）可靠性高、参数一致性好；

3）使用寿命长，可长时间重复使用；

4）结电容相对较低，可应用在高速传输设备上。

2.3.2TSS管使用实例

半导体放电管主要应用在485电路、视频接口、XDSL、电话接口等需要防雷保护的接口。

如下图所示，某款监控产品的告警输入、音频输入、音频输出、CVBS接口处都使用了TSS管进行浪涌共模防护。

下图为RS232接口的浪涌防护措施，使用的是TSS管，其中D35、D49、D50、D34为共模防护，D37、D48为差模防护。

2.4防护器件的使用区别

GDT管、TSS管、TVS管三种器件有共同点，也有不同点，结合各自特性，如下表所示：

防护器件

GDT

TVS

TSS

保护类型

过压保护

过压保护

过压保护

应对EMC

Surge

ESD/Surge

Surge

特点

通流量大，结电容低，绝缘高

漏电流低，响应速度快，瞬态功率大

反应速度快，残压低，使用寿命长，结电容低

应用领域

AC电源、DC电源接口、485电路、视频接口、以太网接口

485电路、232接口、USB接口、VGA接口、DC电源接口

485电路、232接口、视频接口、音频接口、电话接口

3解决过程

无

4解决结果

无

5总结

在硬件可靠性EMC测试时，了解基本的防护器件的特性，掌握其工作原理，对更深入地掌握产品硬件知识起到重要作用。

测试时应更多地去深入了解产品内部的东西，而不只停留在表面，才能不断提高自身业务能力。