CN219697479U - 开关型防护器件 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种开关型防护器件。该器件包括：开关型防护封装以及开关型防护电路，开关型防护封装包括壳体、输入接口以及输出接口，输入接口以及输出接口设置于壳体；开关型防护电路包括控制开关、控制模块、开关型防护模块以及内部浪涌泄放电路，开关型防护模块分别与控制模块以及控制开关连接，控制模块分别与控制开关以及内部浪涌泄放电路连接，开关型防护电路设置于开关型防护封装内部，通过输入接口与前级电路连接，通过输出接口与后级电路连接；开关型防护电路用于连接前级电路与后级电路，并通过导入和泄放浪涌电流对后级电路进行浪涌防护。采用该开关型防护器件能够实现提高浪涌防护器件的适用性的技术效果。

Description

开关型防护器件

技术领域

本申请涉及浪涌防护技术领域，特别是涉及一种开关型防护器件。

背景技术

随着电子设备功能的日益增加，电子设备的端口也呈现多样化，端口数量以及种类的增加必然会导致常规的防护方案出现不兼容的情况，对于电源通路、数字信号、模拟信号等不同的信号，其防护手段都是不同的，针对不同的信号端口，要求防护器件的响应时间，箝位电压等都具有不同的要求。

相关技术中，以半导体放电管为例，常规的半导体放电管对响应时间，箝位电压都是唯一的，不能对响应时间及箝位电压进行选择。并且，常规的半导体放电管功能单一，适用范围也比较局限，对于高速发展的信息产业，各类端口快速增长，每种端口都需要一种不同的防护方案，对于不同的行业标准要求，不同的EMC等级，常规的半导体放电管也只能符合一个标准或适配一种防护方案，缺少灵活性。

目前针对相关技术中，开关型防护器件的适用性较差的问题，尚未出现有效的解决方案。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种适用性较高的开关型防护器件。

第一方面，本申请提供了一种开关型防护器件。所述开关型防护器件包括：开关型防护封装以及开关型防护电路，所述开关型防护封装包括壳体、输入接口以及输出接口，所述输入接口以及所述输出接口设置于所述壳体；所述开关型防护电路包括控制开关、控制模块、开关型防护模块以及内部浪涌泄放电路，所述开关型防护模块分别与所述控制模块以及所述控制开关连接，所述控制模块分别与所述控制开关以及内部浪涌泄放电路连接，所述控制开关用于根据控制模块的控制信号改变所述开关型防护模块与前级电路的通断状态，所述开关型防护电路设置于所述开关型防护封装内部，通过输入接口与前级电路连接，通过输出接口与后级电路连接；所述开关型防护封装用于固定和防护所述开关型防护电路；所述开关型防护电路用于连接前级电路与后级电路，并通过导入和泄放浪涌电流对后级电路进行浪涌防护。

在其中的一个实施例中，所述开关型防护模块包括半导体放电管。

在其中的一个实施例中，所述输入接口包括浪涌输入正向接口，所述浪涌输入正向接口与所述控制开关连接；所述浪涌输入正向接口用于接收正向浪涌。

在其中的一个实施例中，所述输入接口还包括浪涌输入负向接口，所述浪涌输入负向接口与所述半导体放电管连接；所述浪涌输入负向接口用于接收负向浪涌。

在其中的一个实施例中，所述输出接口与所述内部浪涌泄放电路连接。

在其中的一个实施例中，所述开关型防护模块包括气体放电管。

在其中的一个实施例中，所述输入接口与所述控制开关连接；所述输出接口与所述内部浪涌泄放电路连接。

在其中的一个实施例中，所述开关型防护封装还包括设备接地端口，所述设备接地端口与所述控制模块连接。

在其中的一个实施例中，所述控制开关为电流传感器开关。

在其中的一个实施例中，所述控制模块为微处理器MCU。

上述开关型防护器件，通过设置，开关型防护封装以及开关型防护电路，所述开关型防护封装包括壳体、输入接口以及输出接口，所述输入接口以及所述输出接口设置于所述壳体；所述开关型防护电路包括控制开关、控制模块、开关型防护模块以及内部浪涌泄放电路，所述开关型防护模块分别与所述控制模块以及所述控制开关连接，所述控制模块分别与所述控制开关以及内部浪涌泄放电路连接，所述控制开关用于根据控制模块的控制信号改变所述开关型防护模块与前级电路的通断状态，所述开关型防护电路设置于所述开关型防护封装内部，通过输入接口与前级电路连接，通过输出接口与后级电路连接；所述开关型防护封装用于固定和防护所述开关型防护电路；所述开关型防护电路用于连接前级电路与后级电路，并通过导入和泄放浪涌电流对后级电路进行浪涌防护。通过将开关型防护模块与控制开关、控制模块连接组成开关型防护电路，同时为开关防护电路配置了带有输入接口和输出接口的封装，以对开关型防护电路进行防护，在应用该开关型防护器件时，直接通过输入接口和输出接口将前级电路和后级电流与开关型防护器件连接即可，提高了开关型防护器件的适用性。

附图说明

图1为一个实施例中开关型防护器件的伏安特性曲线示意图；

图2为一个实施例中开关型防护器件示意图；

图3为一个实施例中半导体放电管的工作原理示意图；

图4为一个实施例中新型TSS管封装方案示意图；

图5为一个实施例中电压分区的示意图；

图6为一个实施例中新型气体放电管封装方案示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

过压保护器按照伏安特性可以分为两大类：分别是钳位型和开关型；钳位型电压保护器包括：瞬态电压抑制二极管TVS、静电保护元件ESD、压敏电阻MOV；开关型电压保护器件包括：新型气体放电管GDT、玻璃气体放电管SPG、晶闸管以及半导体放电管TSS等。

开关型过电压保护器件的符合特性曲线如图1所示，当电压达到器件的击穿电压后，其电阻瞬间减小为低阻态，泄放浪涌电流，并将浪涌电压限制在一个较低的水平。开关型过电压保护器的特点是器件导通后其两端的电压会低于器件的击穿电压，常用于通信系统高频信号浪涌防护。

在本实施例中，提供了一种开关型防护器件，如图2所示，所述开关型防护器件包括：开关型防护封装以及开关型防护电路，所述开关型防护封装包括壳体221、输入接口222以及输出接口223，所述输入接口222以及所述输出接口223设置于所述壳体221；所述开关型防护电路包括控制开关213、控制模块212、开关型防护模块211以及内部浪涌泄放电路214，所述开关型防护模块211分别与所述控制模块212以及所述控制开关213连接，所述控制模块212分别与所述控制开关213以及内部浪涌泄放电路214连接，所述控制开关213用于根据控制模块212的控制信号改变所述开关型防护模块211与前级电路31的通断状态，所述开关型防护电路设置于所述开关型防护封装内部，通过输入接口222与前级电路31连接，通过输出接口223与后级电路32连接；所述开关型防护封装用于固定和防护所述开关型防护电路；所述开关型防护电路用于连接前级电路31与后级电路32，并通过导入和泄放浪涌电流对后级电路32进行浪涌防护。

具体地，控制模块用于获取前级电路的输入电压，将输入电压与预置的基准电压进行比较，根据比较结果生成控制信号并发送至控制开关，控制开关用于根据控制信号导通前级电路与开关型防护模块之间的电流通路，电流通路导通后，开关型防护模块在输入电压下进入低阻态，内部浪涌防护电路用于泄放浪涌电流并后级电流连接，避免后级电路因为浪涌残压导致的后级信号芯片损坏。本实施例中，基于改进后的开关型防护电路，可以将实际需要的箝位电压设置为基准电压并配置于控制模块，控制模块在检测到输入电压达到基准电压时，则生成控制信号，基于该控制信号将控制开关关断，使后续浪涌进入浪涌泄放电路中，实现浪涌电流的泄放。本实施例的开关型防护电路，实现了浪涌防护过程中，开关型防护器件箝位电压的可调节性，提高了开关型防护器件的适用性。

在本实施例中，通过为开关型防护电路设计的开关型防护封装，为开关型防护器件提供了固定和防护效果，同时，通过设计输入接口和输出接口，提高了开关型防护器件应用的便捷性，进一步提高了开关型防护器件的适用性。

在其中的一个实施例中，所述开关型防护模块包括半导体放电管。

具体地，半导体放电管TSS，即Thyristor Surge Suppressors，亦称为固体放电管或双向瞬态过电压保护器。作为一种二端半导体器件，当电压超过其击穿电压时，产生瞬间雪崩效应，流过的电流迅速倍增；当流过放电管的电流降低到最小维持电流以下时，放电管恢复断开状态，具有击穿电压低、响应速度快、通流量大、箝位电压低的优点。

TSS管属于能量转移型开关型保护器件，击穿电压从几十到几百伏不等，导通压降只有几伏特；浪涌吸收能力达到几百安培或更大。工作过程可解释为：首先，固体放电管是一种半导体四层二极管，在击穿之前，几乎不导电。然后，当电压达到转折电压Vs后，电压超过维持电流IH，管子负阻特性使得电流急剧增大，两端压降降为Vt导通压降；管内电流增加，压降几乎不变。最后，当电流中断或者降至IH以下，TSS管重新恢复高阻关断状态。TSS管有双极性保护功能，其伏安特性曲线如图3所示。

在本实施例中半导体放电管TSS选用一种低动作电压Vdrm，响应时间比传统的气体放电管长15ps的半导体放电管。选用的Vdrm为低动作电压，长响应时间主要与后续控制模块的工作有关，通过低动作电压，后级控制模块能够检测到该电压，然后进行相关的判断工作。

在其中的一个实施例中，所述输入接口包括浪涌输入正向接口，所述浪涌输入正向接口与所述控制开关连接；所述浪涌输入正向接口用于接收正向浪涌。

在其中的一个实施例中，所述输入接口还包括浪涌输入负向接口，所述浪涌输入负向接口与所述半导体放电管连接；所述浪涌输入负向接口用于接收负向浪涌。

具体地，二极管正向浪涌与反向浪涌的区别体现在二极管的状态。在正向浪涌时，二极管处于反向雪崩击穿状态；反向浪涌时，二极管类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。在低电容电路里应选用双向TVS以保护电路中的低电容器件免受反向浪涌的损害。

在其中的一个实施例中，所述输出接口与所述内部浪涌泄放电路连接。

在其中的一个实施例中，所述开关型防护模块包括气体放电管。

具体地，气体放电管，即Gas Discharge Tube，简称GDT。气体放电管是由密封惰性气体与放电管介质的一个或者一个以上放电间隙组成的器件，是一种开关型过压保护元件。气体放电管通流量大，结电容低，绝缘电阻高，响应速度慢，击穿残压较高，并且有续流。适合应用在信号端口初级，电源端口，当浪涌电压足够大时，气体开始电离，进入辉光区域，电压不变，随着电流的上升，气体开始产生雪崩效应，并转换到电弧区域。电弧电压是气体放电管“虚短”时的电压。电弧电压越低，温度越低，寿命越长。电弧电压一般是10-50V。

气体放电管因其通流量大和反应速度慢的特点，常放在电路最前端，后级和TVS/TSS等反应速度快的器件并联使用，使用时需要注意：后级防护器件的箝位电压要高于气体放电管，避免气体放电管不开启；气体放电管和后级防护器件之间要增加过流保护器件，使得后级防护器件能够恢复。

在本实施例中，气体放电管选用低开启电压且响应时间比传统的气体放电管长50ps的电子元件。选用低开启电压且长响应时间的气体放电管作为开关型防护模块，只要是为了适应后续控制模块的工作，通过低开启电压，控制模块能够检测到该电压，然后进行相关的判断工作。

在其中的一个实施例中，所述输入接口与所述控制开关连接；所述输出接口与所述内部浪涌泄放电路连接。

具体地，采用TVS/TSS以及串阻组成二级内部浪涌泄放路径，即内部浪涌泄放电路。该内部浪涌泄放路径的作用是提高气体放电管的使用寿命。气体放电管在开关关断后，存在续流效应，会影响气体放电管的使用寿命，因此增加串阻来降低通流，并且使用TVS/TSS进行二级防护，进一步避免后级点路因为浪涌残压导致的后级电源芯片损坏，达到二次滤波的目的。电路中存在一个反馈机制，当电路中电流等于0时，控制芯片会检测到该状态，然后通过控制芯片反馈到电流传感器中控制电流传感器闭合。

在其中的一个实施例中，所述开关型防护封装还包括设备接地端口，所述设备接地端口与所述控制模块连接。

在其中的一个实施例中，所述控制开关为电流传感器开关。

具体地，电流传感器开关受控制模块的控制，用于控制与前级浪涌通路的通断情况。该电流传感器还决定着后级电流的实际箝位电压情况。因此，选用精确度极高的电流传感器，可以在接收到控制模块发送的电流信号后发生控制动作。

在其中的一个实施例中，所述控制模块为微处理器MCU。

具体地，微处理器MCU，也称微控制单元或单片机。是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，以实现控制功能。在本实施例中，可通过微处理器实现电压比较及输出控制信号的功能。

在其中的一个实施例中，所述控制模块为比较器。

比较器是对两个或多个数据项进行比较，以确定他们是否相等，或确定他们之间的大小关系及排列顺序称为比较。能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器，比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号0或1，当输入电压的差值增大或减小且正负号不变时，其输出保持恒定。在本实施例中，可通过比较器实现预设的箝位电压与实时电压的比较功能，并生成控制信号控制前级浪涌通路与后级浪涌泄放通路的通断。

本实施例的开关型防护器件，可以控制TSS和/或GDT的关键参数，实现一个开关型防护器件可以有多种应用场景，可以适用于多种不同的防护端口，实现TVS的高兼容性。并且，能够灵活控制TSS和/或GDT的响应时间及箝位电压，当防护的端口需要相应较短的响应时间时，可通过为控制模块配置基准电压以实现更短的控制响应时间。

在其中的一个具体实施例中，提供了一种新型TSS封装方案，如图4所示，包括电路传感器开关、半导体放电管、控制芯片以及串阻浪涌分压泄放电路。其中电流传感器开关与半导体放电管连接，半导体放电管与控制芯片连接；控制芯片分别与电路传感器开关以及串阻浪涌分压泄放电路连接。该新型TSS封装方案包括第一管脚41和第二管脚41。第一管脚54与电流传感器开关连接，对应浪涌输入正向口；第二管脚42与半导体放电管连接，对应浪涌输入负向口。第3端口与串阻浪涌分压泄放电路连接，是经过串阻进一步分压后的输出口，连接后级芯片。

在本实施例中，半导体放电管TSS为一种低动作电压Vdrm，响应时间比传统的气体放电管长15ps，这里设计的Vdrm为低动作电压，长响应时间，主要是与后级控制芯片的工作有关，通过低动作电压，后级控制芯片能够检测到该电压，之后进行相关的判断工作。

在本实施例中，控制芯片是整个新型TSS封装方案设计的核心，通过前级低动作电压V_B，长响应时间TSS控制后续的工作状态，控制芯片接收到一个电压信号，在芯片设计一个比较电压，与动作电压V_B进行比较，这时候芯片进入待机状态，接下去设计所需的箝位电压V_q，将V_q提前写入控制芯片中，将前级TSS的响应时间进行分区，ps级为单位进行分区，减少控制芯片产生的误差，每个分区对应一个箝位电压，对每个分区进行编号1、2···n，选择适合的防护电压V_f前将该电压V_f导入到芯片中，最后通过比较每个分区的电压V₁、V₂···V_n，选择合适的电压V*，这时候V*所对应的时间就是控制芯片的动作时间，控制芯片会直接控制电流传感器开关直接关断，后续浪涌会进入后级串阻组成的耳机分压浪涌泄放电路中，降低浪涌通过TSS后残压对后级电路的影响，进一步保护后级电路；

如图5所示，对箝位电压在V_B—V_q之间进行分区，获得对应的(T1,V1),(T2,V2)…(Tn，Vn)，比较我们想要的实际箝位电压V_f，例如此时我们选择的V_f等于V₄，这时候我们就需要输出的时间即为T4；但是有时候我们所需要的电压值V_f不会凑巧等于V₁—V_n中的某个值，可能是介于V₃—V₄之间，这时候我们为了确保后级电路可以正常工作，会将较大值作为选定值，这时候输出的时间也是T4。

为了减少芯片的运行延时，当设备上电时，首先将该时间预设在芯片中，代码提前开始运行，处于待机状态，当有浪涌电流通过时，可以减少不必要的运行时间，这时控制芯片可以实现及时响应的效果。

在本实施例中，电流传感器开关受控制芯片的控制，控制与前级浪涌通路的通断情况；该位置的决定着后级电路的实际箝位电压情况，选用精确度极高的电流传感器，通过接收控制芯片发射的电流信号进行动作。

在本实施例中，TSS通常用于信号端口，此位置由串阻组成浪涌分压泄放路径主要是为了降低对后级电路损坏的风险，提高整体电路的可靠性，并且增加串阻可以降低浪涌电流，使得通过后级电路的电流降低，进一步避免后级电路因为浪涌残压导致的后级信号芯片损坏，电路中存在一个反馈机制，当电路中电流等于0时，控制芯片会检测到该状态，然后通过控制芯片反馈到电流传感器中控制电流传感器闭合；

在本实施例中，新型TSS的封装规格如图4所示，长度为4mm±0.25mm，宽度为3mm±0.25mm。

本实施例得到的浪涌箝位电压的响应时间比常规TSS短，通过控制V_q值实现，以上只是举例一种电压V_q的情况，可以通过变化V_q值得到更短的响应时间，同时减少了TSS的箝位电压持续时间，实际的V_q值与后级电路、信号芯片耐压的特性相关。

在其中的一个实施例中，如图6所示，提供了一种新型气体放电管封装方案，包括电路传感器开关、新型气体放电管、控制芯片、TVS/TSS串阻内部二级浪涌防护电路。电流传感器开关与新型气体放电管连接；控制芯片分别与新型气体放电管、电流传感器开关以及TVS/TSS串阻内部二级浪涌防护电路连接。该新型TVS管封装方案还包括三个接口，如图6所示，其中管脚61对应浪涌输入端口，管脚62对应浪涌输出端口，端口63对应设备的参考地。

在本实施例中，该新型气体放电管封装方案的尺寸为如图6所示，长度为10mm±0.5mm，宽度为6mm±0.5mm。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种开关型防护器件，其特征在于，所述开关型防护器件包括开关型防护封装以及开关型防护电路，所述开关型防护封装包括壳体、输入接口以及输出接口，所述输入接口以及所述输出接口设置于所述壳体；所述开关型防护电路包括控制开关、控制模块、开关型防护模块以及内部浪涌泄放电路，所述开关型防护模块分别与所述控制模块以及所述控制开关连接，所述控制模块分别与所述控制开关以及内部浪涌泄放电路连接，所述控制开关用于根据控制模块的控制信号改变所述开关型防护模块与前级电路的通断状态，所述开关型防护电路设置于所述开关型防护封装内部，通过输入接口与前级电路连接，通过输出接口与后级电路连接；

所述开关型防护封装用于固定和防护所述开关型防护电路；

所述开关型防护电路用于连接前级电路与后级电路，并通过导入和泄放浪涌电流对后级电路进行浪涌防护。

2.根据权利要求1所述的开关型防护器件，其特征在于，所述开关型防护模块包括半导体放电管。

3.根据权利要求2所述的开关型防护器件，其特征在于，所述输入接口包括浪涌输入正向接口，所述浪涌输入正向接口与所述控制开关连接；所述浪涌输入正向接口用于接收正向浪涌。

4.根据权利要求2所述的开关型防护器件，其特征在于，所述输入接口还包括浪涌输入负向接口，所述浪涌输入负向接口与所述半导体放电管连接；所述浪涌输入负向接口用于接收负向浪涌。

5.根据权利要求2所述的开关型防护器件，其特征在于，所述输出接口与所述内部浪涌泄放电路连接。

6.根据权利要求1所述的开关型防护器件，其特征在于，所述开关型防护模块包括气体放电管。

7.根据权利要求6所述的开关型防护器件，其特征在于，所述输入接口与所述控制开关连接；所述输出接口与所述内部浪涌泄放电路连接。

8.根据权利要求6所述的开关型防护器件，其特征在于，所述开关型防护封装还包括设备接地端口，所述设备接地端口与所述控制模块连接。

9.根据权利要求1所述的开关型防护器件，其特征在于，所述控制开关为电流传感器开关。

10.根据权利要求1所述的开关型防护器件，其特征在于，所述控制模块为微处理器MCU。