一种高速电路防护新技术TBU

杜 彪

*南宁铁路局南宁电务段 助理工程师，530001 南宁

通信设备终端在使用过程中经常会因为一些意外事件，如雷电引入室内，或市电搭接，造成通信端口引入很大的能量，损坏后级电子器件，这就需要在通信设备的接口处采用大能量保护方案。典型的防护器件有:气体放电管(GDT)、固体放电管、热敏电阻(PTC)、熔断器(SingleFuse)、TVS管、晶闸管(TISP)、TBU(瞬时阻断单元)等。设备制造时应根据标准要求选择合适的器件。

1 现有高速电路防护方案

高速电路的保护方案，首先要考虑防护等级，其次是防护器件的容值不能过大，影响线路传输信号的质量。典型高速电路保护电路如图1所示，从接口到芯片，依次摆放 GDT、PTC和 TISP(或TVS)。

图1 典型高速电路保护电路

工作原理:GDT和PTC的反应速度较慢，大约在ms级，TISP率先导通，对地形成瞬间短路，泄放能量;此时，线路前端电流迅速升高，使PTC开始动作。PTC的阻值随电流增大而增大，迅速阻断电流，同时使得GDT保护节点处的电压迅速抬高，达到其启动电压后，气体放电管大量释放能量，从而达到三级保护的目的。

需要注意的是，不同的接口电路和标准对保护器件的选择起决定性作用。GDT和PTC的容值都非常小，PTC的阻值随温度和电流的变化而变化。TVS的容值较TISP要低很多，一般在高速电路防护中，选择TVS管对信号质量的影响相对较小，多选TVS管。

高速电路对线路上器件的容值有着较高的要求，这就决定了后级保护器件的功率不能过高，这本身和保护电路的防护能力是相矛盾的。设计中一般对高速电路的防护等级要求并不高，很多场合可以省去GDT，只用PTC和TVS达到保护后级芯片的目的。

2 TBU方案

TBU(Transient Blocking Unit)为瞬时阻断单元，一般串联在线路上，与PTC所起的作用相仿，但原理截然不同。

PTC是热敏电阻，内部由高分子材料构成，常温低电流状态下，高分子材料聚合在一起，形成导通状态，内阻很小。当电流升高时，短时间内造成PTC温升，可以达到110℃。温升使得PTC内部的高分子材料迅速分离，导电介质结构发生变化，形成阻值急剧抬高的状态。同时，通过表面散热(PTC器件体积一般较大，现在多采用立式封装)等方式释放一部分能量，等到线路电流恢复正常时，经过散热冷却，使高分子材料重新聚合到一起(常温低电流)，PTC重新导通。

TBU内部是一个电子开关，当检测到线路电流过流时，迅速关断内部电子开关，直接切断线路，抑制过流，从而达到保护后级芯片的目的。同时，在达到GDT启动电压一段时间后(GDT启动较慢，ms级)，由GDT放电，泄放能量。TBU的伏安(V/I)特性如图2所示。

表1列举了TBU和PTC的主要差异。从对比来看，TBU比PTC具有更高的精度和稳定性，另外，在某些标准市电搭接的测试中，对于交流电的防护，TBU的可靠性比PTC要强得多。

3 总结

近年来保护电路有了原理性的突破，TBU的优势不言而喻，其良好的保护特性、高稳定性、高可靠性，从根本上颠覆了熔断器(Fuse)类过流保护器件的统治地位，但是其自身存在的一些问题，仍需要关注。

图2 TBU的伏安特性曲线

1．TBU必须与GDT等前端保护器件配合使用。TBU对线路过压较敏感，只能瞬时阻断电流通过，并不具备能量释放的能力。一旦TBU两端长时间过压，或瞬时过压很大，会引起其内部电子开关的损坏，甚至无法恢复。这一特性有点类似于熔断器(SingleFuse)。前端一般需要GDT的配合，以泄放能量。

表1 TBU和PTC的比较

2．TBU无法防护静电，仍需要TVS等器件配合。一般来讲，对接口静电的防护，TBU应放在TVS的后端，否则会引起TBU的动作而阻断电流，使TBU完全承受静电能量，这样也会造成TBU的损坏。

综上所述，TBU推出时间不长，后续需要做一些实验，来详细评估这一新技术。

［1］姜培安.高速电路PCB设计方法与技巧［M］.北京:中国电力出版社，2000.

［2］李征帆，毛军发.微波与高速电路理论［M］.上海:上海交通大学出版社，2001.