TDK過電壓保護解決方案分析

智能恒溫器、門禁控制和防盜報警系統(tǒng)等在智能建筑和智能家居應(yīng)用已逐步成為建筑管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。在這些應(yīng)用中，火災(zāi)報警系統(tǒng)顯得尤其重要，因為該系統(tǒng)關(guān)系到人身和財產(chǎn)安全。為保障火災(zāi)報警系統(tǒng)的可靠性，TDK集團推出一系列愛普科斯 （EPCOS） 關(guān)鍵元件，其中最重要的莫過于過電壓保護解決方案。

寫字樓、酒店、機場、商場均為人群大量流動的建筑場所，因此必須配備自動火災(zāi)報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由傳感器、執(zhí)行器、電源和數(shù)據(jù)傳輸單元所組成的復(fù)雜系統(tǒng)。一般而言，每個火災(zāi)探測器都能通過網(wǎng)絡(luò)鏈接到控制器。

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和布局的不同，我們采用環(huán)形和星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？刂破鲌?zhí)行兩項具體任務(wù)：定期掃描安裝設(shè)備，如果隨后發(fā)現(xiàn)探測器已啟動，控制器必須觸發(fā)包括建筑物內(nèi)所有的聲音和可視化報警裝置執(zhí)行必要的動作，關(guān)閉防火門，以及通過LAN或移動通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行消防服務(wù)。

例如，火災(zāi)報警系統(tǒng)可通過24V電源供電。由于系統(tǒng)在電源發(fā)生故障時仍然需要繼續(xù)工作，因此火災(zāi)報警系統(tǒng)電源集成了UPS，即使發(fā)生長時間斷電，系統(tǒng)也能確保合適的供電電壓。除火災(zāi)探測器外，運動探測器和玻璃破碎傳感器也必須集成到該系統(tǒng)中。圖1顯示了火災(zāi)報警系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

圖1：火災(zāi)報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中火災(zāi)探測器網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，聲音報警裝置（擴音器）還能在星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中運行。

火災(zāi)探測器采用不同的傳感器技術(shù)，具體技術(shù)取決于其應(yīng)用需求：

探測煙霧的光學(xué)傳感器

檢測溫升的溫度傳感器

探測CO和CO2的氣體傳感器

圖2顯示了帶光學(xué)傳感器的火災(zāi)探測器的原理框圖。圖2：在火災(zāi)探測器內(nèi)部，微控制器 （3.3 V）、紅外發(fā)射器和接收器 （10 V） 通過電源總線 （24 V） 供電。

嚴(yán)苛的過壓保護要求

由于工作環(huán)境的復(fù)雜性，火災(zāi)報警系統(tǒng)需要應(yīng)對各種過電壓現(xiàn)象，如數(shù)據(jù)和電源電纜產(chǎn)生過電壓。電源線和信號線都會受到過壓影響。由于系統(tǒng)電纜較長，具有多種耦合情形由，過電壓問題更加嚴(yán)重。

圖3概述了可能存在的過電壓類型。

TDK集團生產(chǎn)的愛普科斯 （EPCOS） 壓敏電阻適用于各種過電壓類型。不過這里必須區(qū)分單片式和疊層式。

單片式壓敏電阻專為高電壓和大電流而設(shè)計，因此適用于電源輸入端。除傳統(tǒng)的片狀壓敏電阻，愛普科斯 （EPCOS） ThermoFuse?壓敏電阻的T14和T20系列特別適用于與安全相關(guān)的應(yīng)用。其工作電壓為130 VRMS至1000 VRMS，抗浪涌電流能力可高達(dá)10，000 A （8/20 μs）。

如果ThermoFuse壓敏電阻過熱，集成熔絲會將壓敏電阻與網(wǎng)絡(luò)隔離，防止印制電路板上出現(xiàn)任何著火現(xiàn)象，或損壞位于壓敏電阻附近的元件。熔絲和壓敏電阻安裝在塑料外殼的內(nèi)部，并且與壓敏電阻的涂層類似，采用阻燃性材料制成。

這些元件具有三個接頭：兩個用于電力電纜，一個用于監(jiān)測輸出，例如可通過該監(jiān)測輸出，經(jīng)由LED顯示元件的狀態(tài)。為便于更換，這些壓敏電阻可采用印制電路板端子進行安裝。

圖4：防止過熱的ThermoFuse系列壓敏電阻。 此外，元件狀態(tài)可通過監(jiān)測輸出端進行持續(xù)監(jiān)測。

對火災(zāi)報警系統(tǒng)電源總線以及火災(zāi)探測器本身而言，CTVS浪涌保護系列的多層壓敏電阻適用于參考IEC 61000 4-5標(biāo)準(zhǔn)定義的浪涌測試。由于采用多層設(shè)計，CTVS能提供滿足需求的各種額定電壓的產(chǎn)品。封裝尺寸為0805至2220的表面貼裝元件專為8/20 μs （4 kV） 或10/700 μs （2 kV） 的脈沖電流而設(shè)計，其抗浪涌電流能力可高達(dá)6000 A，并且能承受高達(dá)15 J的沖擊能量。這些元件適用于IEC 61000 4-2 Level 4的ESD防護要求，并且能提供高達(dá)30 kV的可靠保護。

與其它保護元件技術(shù)（如TVS二極管）不同，愛普科斯 （EPCOS） CTVS壓敏電阻在溫度高達(dá)150°C時都不會出現(xiàn)性能降額。

根據(jù)安全系統(tǒng)制造商對某些元件的特定要求，CTVS系列的相關(guān)類型產(chǎn)品已經(jīng)通過了UL 1449（文檔編號E481997）認(rèn)證。

同一類壓敏電阻適用于各種電壓等級采用光學(xué)傳感器的火災(zāi)探測器需要提供額外的內(nèi)部供電電壓等級：紅外發(fā)射器和接收器為10 V，微控制器為3.3 V。

圖5顯示了在火災(zāi)探測器內(nèi)部生成不同電壓等級的可能電路圖。圖5：通過10 V分立式解決方案和3.3 V LDO（線性調(diào)壓器）在火災(zāi)探測器內(nèi)部生成不同的電壓等級。此處使用四個壓敏電阻以防止過電壓。

通過24V直流母線供電的輸入端必須始終使用壓敏電阻 （CTSV1） 進行過壓防護。CTVS浪涌電壓保護系列的CT2220K30G 愛普科斯 （EPCOS） 表明貼裝型（SMD） 多層壓敏電阻可實現(xiàn)該目的，其最大直流電壓為38 V，耐沖擊電流設(shè)計為1200 A （8/20 μs）。該壓敏電阻應(yīng)盡可能靠近接線端子安裝。并聯(lián)的C1投切電容器（如TDK MLCC）可抑制高頻干擾。根據(jù)總線電壓或沖擊電壓的要求，TDK集團的產(chǎn)品系列還包括許多其它可用于輸入端的多層壓敏電阻。

包含Q1、R1和D1在內(nèi)的電路構(gòu)成了輸出電壓為10V的電壓控制器。為提高安全性，CT0402S11ACCG愛普科斯 （EPCOS） 壓敏電阻與齊納二極管 （D1）并聯(lián)，當(dāng)二極管故障時壓敏電阻可以導(dǎo)通以防止Q1基極處出現(xiàn)過電壓。10V穩(wěn)壓輸出端通過另外一個壓敏電阻 （CTVS3） 提供保護。另外，陶瓷電容器C2和C3用于穩(wěn)壓和噪聲抑制。而LDO控制器產(chǎn)生的微控制器電壓可通過CDS2C05GTA壓敏電阻 （CTSV4） 進行保護。

愛普科斯 （EPCOS） CTVS浪涌保護系列的關(guān)鍵數(shù)據(jù)

除電源線纜，還需要對數(shù)據(jù)電纜進行保護，因為靜電 （ESD）會對接口造成嚴(yán)重的損壞。鑒于此，TDK集團推出愛普科斯 （EPCOS） CeraDiode?高速數(shù)據(jù)線系列，為客戶提供出色的保護。由于該系列產(chǎn)品的電容值低至0.6 pF（具體視型號而定），信號的完整性不會受到任何影響。除常規(guī)單路器件，還有陣列類產(chǎn)品，比如最多適用四路數(shù)據(jù)線的陣列產(chǎn)品。該產(chǎn)品另外一個引人注目的技術(shù)特點是CeraDiodes的響應(yīng)時間極短，≤0.5 ns。

通過PTC熱敏電阻提供短路保護

由于所有的火災(zāi)探測器并聯(lián)再電源總線上，因此單個設(shè)備的短路可能會導(dǎo)致整個線路部分的癱瘓。為防止這種情況發(fā)生，每個火災(zāi)探測器必須配備相應(yīng)的保險絲。PTC熱敏電阻特別適合于該任務(wù)，因為它們能作為自恢復(fù)保險絲。其功能原理是：當(dāng)熱敏電阻處于低溫（室溫）狀態(tài)下，它保持低阻態(tài)。如果遇到短路情況，即出現(xiàn)明顯高于指定最大值的電流，則PTC熱敏電阻將會發(fā)熱，并立即切換到高阻抗?fàn)顟B(tài)。這能將電流限制到安全水平內(nèi)。一旦短路原因被排除，PTC熱敏電阻將重新冷卻并返回其低阻抗?fàn)顟B(tài)。B59873C0120A570 愛普科斯 （EPCOS） PTC在25°C時的最大負(fù)載電流為90 mA，非常適合火災(zāi)探測器。

各種火災(zāi)報警系統(tǒng)元件

除過電壓保護解決方案外，其它的愛普科斯 （EPCOS） 和TDK元件系列也適用于火災(zāi)報警系統(tǒng)。這些元件包括電感和陶瓷、薄膜和鋁電解電容器，以及NTC熱敏電阻。除此以外，NTC熱敏電阻還能根據(jù)其熱工作原理而制造，以滿足火災(zāi)探測器的應(yīng)用。