TBU器件在計量測試儀器輸出接口保護上的應用

文/沈力 楊楠

隨著微處理器在現代計量測試儀器中的廣泛應用，電涌保護器的作用愈加重要。這是由于微處理器及系統對電涌具有更高的敏感性，而電涌帶來的危害風險不僅會造成數據丟失，嚴重的甚至會直接損毀儀器設備。

電涌保護器通常由過電壓和過電流兩種保護器件組成。為降低產品的維修服務成本，過流保護器件一般選用具有自動復原性能的自恢復保險絲。自恢復保險絲按材料分為高分子聚合物PPTC 和陶瓷CPTC。其作用原理是：當電流超過額定值時，溫度升高，阻值變大，迫使電流變小而起到保護作用。但因動作時間較慢，難于應用于需快速保護的場合。

TBU(Transient Blocking Unit，瞬態阻斷單元)，是由Bourns(柏恩)公司開發的高速電路保護器件。它克服了傳統自恢復保險絲的缺點，可視為自恢復保險絲的高性能升級版。目前在市場上的應用日趨廣泛。

1 TBU器件的工作原理

TBU 由MOSFET 半導體技術制成，用作串聯保護裝置。當用于信號通道時，TBU 以其參數Itrigger為參考值對流過的電流Is進行監測。若Is>Itrigger，則TBU 在1μs 內進入保護狀態，此時Is被限制在1mA 下。這樣能有效阻止高電壓和高電流進入被保護電路內部。若線路上的直流偏壓正常值低于TBU 的參數VReset，則在浪涌事件結束且TBU 兩端電壓降至VReset以下時，TBU 自動開啟重置，并在Is回到正常范圍時完成重置過程。

2 TBU器件特點及應用場合

TBU 保護器的主要特點：

（1）正常工作情況下等效為低阻值電阻，易于設計。

（2）在指定的電流觸發下進入保護狀態；動作速度快，1μs 內瞬間阻斷浪涌能量；阻斷電壓達850V。

（3）保護狀態結束后自動恢復，長期免維護。

（4）支持帶寬達3GHz 的高速、高頻應用。

（5）小尺寸封裝，占用面積小。

圖1：輸出接口保護電路原理圖

應用場合：主要包含通訊、醫療、工業、消費電子等方面，如電信應用、各類總線、通信接口、傳感器、工業控制、測試儀器、高清視頻等等。

3 TBU的選用和設計方法

步驟1：電流特性。先確定系統峰值工作電流和最高工作環境溫度，再使用TBU 數據表的 “觸發電流與溫度”降額曲線，得到對應的 TBU 降額值。

步驟2：過壓選擇。選擇一過壓器件，其最低直流擊穿電壓應高于系統正常工作電壓和因交流電源故障而產生的電壓。選擇的器件還應能處理所需級別的雷擊浪涌電流。

步驟3：TBU 器件的選擇。TBU 器件的最大脈沖電壓（Vimp）應大于所選過壓保護器的最大脈沖擊穿電壓或在規定的峰值浪涌電流下的鉗位電壓。所選TBU 器件的Itrigger的最小特定值（使用步驟1 中的降額值）應高于系統最大峰值工作電流。

步驟4：第三級保護。在很多應用中，TBU 可通過被保護電路輸出和吸收足夠的電流來觸發。若非如此，為確保TBU 正確觸發，應在TBU 器件之后放置一個接地的小型雪崩二極管或放置一個接于電源和地之間的小型信號鉗位二極管。

4 設計實例

以時間檢定儀輸出接口保護電路的設計為例。時間檢定儀是對時間間隔測量儀進行檢定和校準的中精度時間間隔標準信號發生器。在使用過程中需將其輸出接口連接至被檢儀器的輸入口。因被檢儀器的種類和型號繁多，特別是某些指針式電秒表的輸入端與220V 市電間無絕緣，這樣可能因人為錯誤接線導致儀器損壞。此外，短路、交流電源交叉、感應電流和雷擊浪涌等也是儀器輸出接口所面臨的威脅。為了消除這些威脅和隱患，同時考慮到時間檢定儀輸出接口對高速、低延時特性的要求，采用了以TBU 器件作為核心的高速電路保護技術來對輸出接口電路進行快速、全面的保護。

時間檢定儀具有脈沖電平輸出和無源空接點兩種輸出接口。針對這兩種接口的保護電路在結構上完全相同，僅元件的選取有所區別。圖1為電路原理圖。

電路由過流瞬間阻斷器件TBU、瞬態電壓抑制二極管TVS、氣體放電管GDT 和熔斷型保險F 組成。其工作原理是：若過高的瞬態電壓或連續電壓由J3J4 進入空接點通道或TTL 電平通道，TVS 管首先動作，將J1J2處的危險電壓限制到安全范圍內。此時若通過TBU 電流保護器件的電流超過保護電流，TBU 電流保護器件迅速動作，將電流關斷，使得空接點通道或TTL 電平通道得到保護。氣體放電管對TBU 進行電壓保護，其動作電壓應選取小于TBU 的耐壓值，防止意外情況出現時TBU 上的電壓超過其耐壓值。輸出端的最后一級為熔斷型保險，作為氣體放電管在特殊情況下的高電壓、高能量沖擊保護。

電平輸出保護電路，其指標為Vomax=5V, Imax=40mA。

（1）TVS 選取：雙向結構、最高峰值工作電壓Vwm應大于等于最大持續工作電壓、具有滿足高速應用的低電容值，選CDSOD323-T05C，其Vwm=5.0V，Cj=3pF。

（2）GDT 選取：考慮到220V 工頻電源碰線的意外情形，此時只要求TBU 動作，而GDT 不動作，故GDT 的直流放電電壓最小值應大于220V 工頻交流電波動范圍最大值的峰值。根據工頻供電實際情況，取工頻交流電最大值為265V，其峰值為375V。選放電管為2027-47-BLF，其直流放電電壓為470V，容差為±20%，即最小值為376V，滿足要求。

（3）TBU 選型：先預選為TBU-CA085-50-WH，其觸發電流最小值為50mA。因儀器最高工作溫度為40℃，查數據表上降額曲線，40℃時觸發電流為0.95x50mA=47.5mA，大于最大工作電流Imax。最大脈沖電壓（Vimp）為850V，大于所選GDT 的脈沖放電電壓725V（100 V/μs）。連續交流工作電流Vrms為425V，大于在工頻電源意外碰線時可能出現的最大電壓265V。可見在電流和電壓方面所選TBU 均滿足需要。

（4）F 選?。鹤鳛樽詈笠坏婪雷o，F 動作的可能性只在非常特殊的情況下發生，這里選表面貼裝的抗浪涌專用SMD 保險0461.500ER，其主要參數為：500mA 、600V、0.56Ω。

空接點輸出保護電路，儀器指標為Vimax=90V, Imax=40mA。

（1）TVS 選取：雙向結構、最高峰值工作電壓Vwm 應大于等于最大持續工作電壓、具有滿足高速應用的低電容值，選SMAJ90CA，其Vwm=90V，Cj=25pF。

（2）其它器件選型：因電路最大工作電流相同，保護的目的也相同，故GDT、TBU和F 的選型與電平輸出保護電路的相同，型號分別為2027-47-BLF、TBU-CA085-50-WH 和0461.500ER。

5 結束語

TBU 器件動作準確、反應迅速，尤其適合于對現代高速、高帶寬電路進行保護的應用場合。實際應用證明，使用以TBU 器件為核心的保護電路，有助于提高相關計量儀器產品的可靠性和耐用性。