一種高速電路防護新技術TBU

杜 彪

*南寧鐵路局南寧電務段 助理工程師，530001 南寧

通信設備終端在使用過程中經常會因為一些意外事件，如雷電引入室內，或市電搭接，造成通信端口引入很大的能量，損壞后級電子器件，這就需要在通信設備的接口處采用大能量保護方案。典型的防護器件有:氣體放電管(GDT)、固體放電管、熱敏電阻(PTC)、熔斷器(SingleFuse)、TVS管、晶閘管(TISP)、TBU(瞬時阻斷單元)等。設備制造時應根據標準要求選擇合適的器件。

1 現有高速電路防護方案

高速電路的保護方案，首先要考慮防護等級，其次是防護器件的容值不能過大，影響線路傳輸信號的質量。典型高速電路保護電路如圖1所示，從接口到芯片，依次擺放 GDT、PTC和 TISP(或TVS)。

圖1 典型高速電路保護電路

工作原理:GDT和PTC的反應速度較慢，大約在ms級，TISP率先導通，對地形成瞬間短路，泄放能量;此時，線路前端電流迅速升高，使PTC開始動作。PTC的阻值隨電流增大而增大，迅速阻斷電流，同時使得GDT保護節點處的電壓迅速抬高，達到其啟動電壓后，氣體放電管大量釋放能量，從而達到三級保護的目的。

需要注意的是，不同的接口電路和標準對保護器件的選擇起決定性作用。GDT和PTC的容值都非常小，PTC的阻值隨溫度和電流的變化而變化。TVS的容值較TISP要低很多，一般在高速電路防護中，選擇TVS管對信號質量的影響相對較小，多選TVS管。

高速電路對線路上器件的容值有著較高的要求，這就決定了后級保護器件的功率不能過高，這本身和保護電路的防護能力是相矛盾的。設計中一般對高速電路的防護等級要求并不高，很多場合可以省去GDT，只用PTC和TVS達到保護后級芯片的目的。

2 TBU方案

TBU(Transient Blocking Unit)為瞬時阻斷單元，一般串聯在線路上，與PTC所起的作用相仿，但原理截然不同。

PTC是熱敏電阻，內部由高分子材料構成，常溫低電流狀態下，高分子材料聚合在一起，形成導通狀態，內阻很小。當電流升高時，短時間內造成PTC溫升，可以達到110℃。溫升使得PTC內部的高分子材料迅速分離，導電介質結構發生變化，形成阻值急劇抬高的狀態。同時，通過表面散熱(PTC器件體積一般較大，現在多采用立式封裝)等方式釋放一部分能量，等到線路電流恢復正常時，經過散熱冷卻，使高分子材料重新聚合到一起(常溫低電流)，PTC重新導通。

TBU內部是一個電子開關，當檢測到線路電流過流時，迅速關斷內部電子開關，直接切斷線路，抑制過流，從而達到保護后級芯片的目的。同時，在達到GDT啟動電壓一段時間后(GDT啟動較慢，ms級)，由GDT放電，泄放能量。TBU的伏安(V/I)特性如圖2所示。

表1列舉了TBU和PTC的主要差異。從對比來看，TBU比PTC具有更高的精度和穩定性，另外，在某些標準市電搭接的測試中，對于交流電的防護，TBU的可靠性比PTC要強得多。

3 總結

近年來保護電路有了原理性的突破，TBU的優勢不言而喻，其良好的保護特性、高穩定性、高可靠性，從根本上顛覆了熔斷器(Fuse)類過流保護器件的統治地位，但是其自身存在的一些問題，仍需要關注。

圖2 TBU的伏安特性曲線

1．TBU必須與GDT等前端保護器件配合使用。TBU對線路過壓較敏感，只能瞬時阻斷電流通過，并不具備能量釋放的能力。一旦TBU兩端長時間過壓，或瞬時過壓很大，會引起其內部電子開關的損壞，甚至無法恢復。這一特性有點類似于熔斷器(SingleFuse)。前端一般需要GDT的配合，以泄放能量。

表1 TBU和PTC的比較

2．TBU無法防護靜電，仍需要TVS等器件配合。一般來講，對接口靜電的防護，TBU應放在TVS的后端，否則會引起TBU的動作而阻斷電流，使TBU完全承受靜電能量，這樣也會造成TBU的損壞。

綜上所述，TBU推出時間不長，后續需要做一些實驗，來詳細評估這一新技術。

［1］姜培安.高速電路PCB設計方法與技巧［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［2］李征帆，毛軍發.微波與高速電路理論［M］.上海:上海交通大學出版社，2001.