TBU器件在计量测试仪器输出接口保护上的应用

文/沈力 杨楠

随着微处理器在现代计量测试仪器中的广泛应用，电涌保护器的作用愈加重要。这是由于微处理器及系统对电涌具有更高的敏感性，而电涌带来的危害风险不仅会造成数据丢失，严重的甚至会直接损毁仪器设备。

电涌保护器通常由过电压和过电流两种保护器件组成。为降低产品的维修服务成本，过流保护器件一般选用具有自动复原性能的自恢复保险丝。自恢复保险丝按材料分为高分子聚合物PPTC 和陶瓷CPTC。其作用原理是：当电流超过额定值时，温度升高，阻值变大，迫使电流变小而起到保护作用。但因动作时间较慢，难于应用于需快速保护的场合。

TBU(Transient Blocking Unit，瞬态阻断单元)，是由Bourns(柏恩)公司开发的高速电路保护器件。它克服了传统自恢复保险丝的缺点，可视为自恢复保险丝的高性能升级版。目前在市场上的应用日趋广泛。

1 TBU器件的工作原理

TBU 由MOSFET 半导体技术制成，用作串联保护装置。当用于信号通道时，TBU 以其参数Itrigger为参考值对流过的电流Is进行监测。若Is>Itrigger，则TBU 在1μs 内进入保护状态，此时Is被限制在1mA 下。这样能有效阻止高电压和高电流进入被保护电路内部。若线路上的直流偏压正常值低于TBU 的参数VReset，则在浪涌事件结束且TBU 两端电压降至VReset以下时，TBU 自动开启重置，并在Is回到正常范围时完成重置过程。

2 TBU器件特点及应用场合

TBU 保护器的主要特点：

（1）正常工作情况下等效为低阻值电阻，易于设计。

（2）在指定的电流触发下进入保护状态；动作速度快，1µs 内瞬间阻断浪涌能量；阻断电压达850V。

（3）保护状态结束后自动恢复，长期免维护。

（4）支持带宽达3GHz 的高速、高频应用。

（5）小尺寸封装，占用面积小。

图1：输出接口保护电路原理图

应用场合：主要包含通讯、医疗、工业、消费电子等方面，如电信应用、各类总线、通信接口、传感器、工业控制、测试仪器、高清视频等等。

3 TBU的选用和设计方法

步骤1：电流特性。先确定系统峰值工作电流和最高工作环境温度，再使用TBU 数据表的 “触发电流与温度”降额曲线，得到对应的 TBU 降额值。

步骤2：过压选择。选择一过压器件，其最低直流击穿电压应高于系统正常工作电压和因交流电源故障而产生的电压。选择的器件还应能处理所需级别的雷击浪涌电流。

步骤3：TBU 器件的选择。TBU 器件的最大脉冲电压（Vimp）应大于所选过压保护器的最大脉冲击穿电压或在规定的峰值浪涌电流下的钳位电压。所选TBU 器件的Itrigger的最小特定值（使用步骤1 中的降额值）应高于系统最大峰值工作电流。

步骤4：第三级保护。在很多应用中，TBU 可通过被保护电路输出和吸收足够的电流来触发。若非如此，为确保TBU 正确触发，应在TBU 器件之后放置一个接地的小型雪崩二极管或放置一个接于电源和地之间的小型信号钳位二极管。

4 设计实例

以时间检定仪输出接口保护电路的设计为例。时间检定仪是对时间间隔测量仪进行检定和校准的中精度时间间隔标准信号发生器。在使用过程中需将其输出接口连接至被检仪器的输入口。因被检仪器的种类和型号繁多，特别是某些指针式电秒表的输入端与220V 市电间无绝缘，这样可能因人为错误接线导致仪器损坏。此外，短路、交流电源交叉、感应电流和雷击浪涌等也是仪器输出接口所面临的威胁。为了消除这些威胁和隐患，同时考虑到时间检定仪输出接口对高速、低延时特性的要求，采用了以TBU 器件作为核心的高速电路保护技术来对输出接口电路进行快速、全面的保护。

时间检定仪具有脉冲电平输出和无源空接点两种输出接口。针对这两种接口的保护电路在结构上完全相同，仅元件的选取有所区别。图1为电路原理图。

电路由过流瞬间阻断器件TBU、瞬态电压抑制二极管TVS、气体放电管GDT 和熔断型保险F 组成。其工作原理是：若过高的瞬态电压或连续电压由J3J4 进入空接点通道或TTL 电平通道，TVS 管首先动作，将J1J2处的危险电压限制到安全范围内。此时若通过TBU 电流保护器件的电流超过保护电流，TBU 电流保护器件迅速动作，将电流关断，使得空接点通道或TTL 电平通道得到保护。气体放电管对TBU 进行电压保护，其动作电压应选取小于TBU 的耐压值，防止意外情况出现时TBU 上的电压超过其耐压值。输出端的最后一级为熔断型保险，作为气体放电管在特殊情况下的高电压、高能量冲击保护。

电平输出保护电路，其指标为Vomax=5V, Imax=40mA。

（1）TVS 选取：双向结构、最高峰值工作电压Vwm应大于等于最大持续工作电压、具有满足高速应用的低电容值，选CDSOD323-T05C，其Vwm=5.0V，Cj=3pF。

（2）GDT 选取：考虑到220V 工频电源碰线的意外情形，此时只要求TBU 动作，而GDT 不动作，故GDT 的直流放电电压最小值应大于220V 工频交流电波动范围最大值的峰值。根据工频供电实际情况，取工频交流电最大值为265V，其峰值为375V。选放电管为2027-47-BLF，其直流放电电压为470V，容差为±20%，即最小值为376V，满足要求。

（3）TBU 选型：先预选为TBU-CA085-50-WH，其触发电流最小值为50mA。因仪器最高工作温度为40℃，查数据表上降额曲线，40℃时触发电流为0.95x50mA=47.5mA，大于最大工作电流Imax。最大脉冲电压（Vimp）为850V，大于所选GDT 的脉冲放电电压725V（100 V/μs）。连续交流工作电流Vrms为425V，大于在工频电源意外碰线时可能出现的最大电压265V。可见在电流和电压方面所选TBU 均满足需要。

（4）F 选取：作为最后一道防护，F 动作的可能性只在非常特殊的情况下发生，这里选表面贴装的抗浪涌专用SMD 保险0461.500ER，其主要参数为：500mA 、600V、0.56Ω。

空接点输出保护电路，仪器指标为Vimax=90V, Imax=40mA。

（1）TVS 选取：双向结构、最高峰值工作电压Vwm 应大于等于最大持续工作电压、具有满足高速应用的低电容值，选SMAJ90CA，其Vwm=90V，Cj=25pF。

（2）其它器件选型：因电路最大工作电流相同，保护的目的也相同，故GDT、TBU和F 的选型与电平输出保护电路的相同，型号分别为2027-47-BLF、TBU-CA085-50-WH 和0461.500ER。

5 结束语

TBU 器件动作准确、反应迅速，尤其适合于对现代高速、高带宽电路进行保护的应用场合。实际应用证明，使用以TBU 器件为核心的保护电路，有助于提高相关计量仪器产品的可靠性和耐用性。