电器应用中常用的隔离器件有光耦、继电器、变压器。❤光耦属于流控型元件，以光为媒介传输信号：电→光→电，输入端是发光二极管，输出端是光敏半导体。光耦的核心应用是隔离作用，常用于输入与输出之间无共地的系统。所以输入与输出之间的耐压可达上千伏特。很多通讯模块也是光耦隔离的，更容易实现各个系统之间的连接，完全不用考虑是否共地。如图1为光耦控制继电器（小功率），为使光耦能有效驱动继电器，那么输出端的阻抗应较小，所以输入端的电流应较大，具体原因见下面分析。图1：光耦控制继电器 如图2为开关信号经过光耦隔离输入至单片机，图中24V与3.3V不是共地的，且在控制系统中数字电压3.3V驱动能力有限，所以通常用开关电源的24V或12V作为开关信号的电源。图2：输入输出隔离 以上两种普通的应用看似简单，但要正确使用光耦，就必须掌握光耦的输入和输出到底是什么关系？❤光耦分为线性光耦和非线性光耦，实际常规应用中线性光耦较多，因为线性光耦可以替代非线性光耦，现在以线性光耦（PS2561A）做以下实验，换种角度了解TA的魅力。如图3所示，调节光耦输入电流IF，测量输出的CE阻抗。图3：输入电流IF与输出CE阻抗关系实验 左边为输入电流IF，右边为输出CE阻抗 如图4所示，光耦输入与输出的限流电阻都是1k，且输入电压都相同，于是调节稳压源的电压值，可以得到光耦输入电流IF与输出电流IC的关系。图4：输入电流IF与输出电流IC的关系实验 左边为输入电流IF，右边为输出电流IC ❤如图5得到的实验数据，输出电流IC与输入电流IF曲线趋势基本一致，CE阻抗小于1k左右呈线性变化。且最低阻抗大于100Ω。 图5：实验数据所以使用线性光耦传递开关信号时，需要合理匹配输入电阻的大小，图1中输入电阻360Ω，光耦输入正向压降1V左右，所输入电流IC为(5-1)/360≈11mA，光耦输出CE阻抗200Ω多点，而继电器HFD2线圈阻抗2880Ω，此时可正常驱动继电器，若IC电流变小，则CE阻抗变大后会导致不能正常驱动继电器。❤线性光耦主要用于模拟信号的传递，输出相当于一个可变电阻。在开关电源中很常见，利用光藕做反馈，把高压和低压隔离。常用的有PC817、PS2561、PS2801。如前面例子也常用于开关信号。图7为图6中开关电源内部的线性光耦，开关电源的输出电压经过线性光耦隔离并反馈到控制芯片达到实时调节输出电压的目的。图6：光耦在开关电源中的应用 图7：开关电源内部的光耦 ❤非线性光耦主要用于开关信号（或数字信号）的传递，常用的4N系列的有4N25、4N26以及TIL117；另外还有高速光耦，如6N136、6N137、PS9714、PS9715等。多用于通讯隔离以及PWM波控制（可有效降低电磁干扰），判断是不是高速光耦，看数据手册是否注明 High speed（1Mbps、10Mbps）。❤要点①光耦的核心应用是隔离作用；②相同电压下线性光耦输入电阻与输出电阻相同时，输出电流IC基本与输入电流IF一致；即使输入与输出电压不同，也可以匹配输出与输入的电阻来实现；③用于开关信号线性光耦和非线性光耦都可以，反过来线性光耦电路中不能用非线性光耦代替。④非线性光耦要比线性光耦响应速度快，类似于比较器比运算放大器响应速度快一样。最后欢迎各位硬件组长、硬件经理、硬件总监购买我们整理的优质硬件设计资料：7G 保姆级高质量硬件设计资料
目录 过流保护 电路分析 钳形表测电流 CAN接口电路设计 过流保护： 最简单的过流保护是保险丝。 R1是电流采样电阻： 过流保护的根本所在： 【如何用分立器件设计一个过流保护电路】 https://www.bilibili.com/video/BV1Gh411K7Az?vd_source=3cc3c07b09206097d0d8b0aefdf07958 过压保护电路： 该电路的功能是一个简单的过压保护电路，利用稳压管和晶体管的组合实现。 电路分析 关键元件： D1 (5.1V 稳压管): 用于检测输入电压，当输入电压超过5.1V时，稳压管导通。 Q2 (PMBT3904 NPN 晶体管): 用于驱动后级的MOS管。 Q1 (NCE3407AY P沟道MOS管): 作为主开关，当电路检测到过压时，Q2 导通，关闭 Q1，从而切断输出。 R1, R2, R3: 用于电流分压及限流。 工作原理： 当输入电压 VinV_{in} 超过 5.1V 时，D1 开始导通，向 Q2 的基极提供电流。 Q2 导通后，将 Q1 的栅极拉至接近输入电压，P沟道 MOS管 Q1 关闭，切断电源，从而保护负载。 当输入电压 VinV_{in} 小于 5.1V 时，稳压管 D1 不导通。 Q2 的基极电流为 0，Q2 不导通。 P沟道 MOS管 Q1 的栅极通过 R2 和 R3 拉低，处于导通状态，电压正常传输到负载。 正常状态： 过压状态： 元件作用： R1: 限制流入稳压管 D1 的电流，防止稳压管过载。 R2 和 R3: 分压作用，同时确保在 Q2 导通时能够有效关断 Q1。 Q2: 将输入信号放大，确保能够完全控制 Q1 的导通与关断。 Q1: 控制电源的输出通断。 钳形表测电流： 钳形表不能直接一起测零火地线三根线的电流，只能每次测量一根电流： 钳形表还能进行NCV非接触式电压检测，有些万用表也支持这个功能： CAN接口电路设计: 铜线和绿线不要接在一起，否则会电解生锈：
01输出电压异常 输出电压过高或过低：可能是由于反馈回路故障、基准电压不准确、变压器匝数比不合适等原因引起。例如，反馈电阻阻值变化、光耦损坏等都可能导致输出电压偏离设定值。 电压不稳定：在负载变化或输入电压波动时，输出电压出现较大幅度的波动。这可能是由于稳压控制电路响应速度慢、滤波电容容量不足或损坏等原因造成。 02输出电流异常 输出电流不足：可能是由于功率开关管导通不良、变压器绕组短路、输出滤波电感饱和等原因导致。例如，功率开关管老化、驱动不足会使导通电阻增大，从而限制了输出电流。 过流保护频繁触发：当负载电流超过设定值时，开关电源应启动过流保护功能。但如果过流保护阈值设置不合理、检测电路故障或负载存在瞬间大电流冲击等情况，就会导致过流保护频繁触发，影响电源的正常工作。 03纹波噪声过大 高频纹波：主要由开关频率及其谐波引起，通常是由于输出滤波电容容量不足、电感值不合适或 PCB 布局不合理导致。例如，滤波电容的等效串联电阻(ESR)过大，会使高频纹波无法有效滤除。 低频纹波：一般是由输入电源的波动或负载变化引起的，可能是由于输入滤波不良、反馈回路响应慢等原因造成。 04发热严重 功率开关管发热：功率开关管在导通和截止过程中会产生较大的功耗，如果散热设计不合理，如散热片面积过小、风道不畅等，就会导致开关管温度过高。 变压器发热：变压器的磁芯损耗和绕组电阻损耗会产生热量，如果变压器设计不合理或工作在饱和状态，就会发热严重。此外，变压器的绕制工艺不良也可能导致局部过热。 05电磁干扰(EMI)问题 传导干扰：开关电源的高频开关动作会产生电磁干扰，通过电源线传导到其他设备。这可能是由于输入滤波器设计不合理、接地不良或 PCB 布线不合理等原因引起。 辐射干扰：开关电源的电磁场会向空间辐射电磁干扰，影响周围的电子设备。辐射干扰主要与开关频率、功率等级、PCB 布局和外壳屏蔽等因素有关。
氧化锌压敏电阻器与TVS管都是ESD防护常用的器件，对提升整机的ESD性能有非常重要的作用。但是氧化锌压敏电阻器与TVS管的导电机理及结构各有差异，因此在具体应用表现也不尽相同。本文将对二者在导电机理，脉冲能量耗散机理，ESD防护时的响应时间的不同进行分析阐述，纠正在响应时间认识上可能存在的误区，从而使读者更好的认识压敏电阻和TVS。 1、氧化锌压敏陶瓷 氧化锌压敏陶瓷是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、 经电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件，具有非线性导电特性，是抑制过电压、吸收浪涌能量、ESD防护的主要元件材料。氧化锌压敏陶瓷的微观结构如图1所示。是由氧化锌晶粒及晶界物质组成的,其中氧化锌晶粒中掺有施主杂质而呈N型半导体, 晶界物质中含有大量金属氧化物形成大量界面态,这样两个晶粒和一个晶界（即微观单元）形成一个类似背靠背双向NPN结, 整个陶瓷就是由许多背靠背双向NPN结串并联的组合体。由于氧化锌压敏陶瓷晶界非常薄，仅有埃数量级，则当施加电压小于其反向PN结击穿电压时，属于肖特基势垒热电子发射电导，其导通电流与PN结势垒及温度有关；当施加电压大于其反向PN结击穿电压（3.2V）时，属于隧道电子击穿导电，其导通电流只与所施加电压有关，隧道电子击穿时间是几十到百皮秒。 图2是压敏电阻器的等效电路。其中：当施加电压小于其反向PN结击穿电压时，Rb远大于Rg,施加电压几乎全部加在晶界上，Rb＞10M；当施加电压大于其反向PN结击穿电压时，晶界产生隧道电子击穿导电，Rb远小于Rg,施加电压加在晶粒和晶界上，Rg+Rb阻值只有欧姆级；因此当外施电压小于氧化锌压敏陶瓷晶界击穿电压（即压敏电压）时，压敏电阻呈现绝缘体高阻值，其漏电流仅有微安级；当外施电压大于氧化锌压敏陶瓷晶界击穿电压（即压敏电压）时，压敏电阻呈现导体低阻值，通过电流有几十安培，而且外施电压小幅提高，通过电流急速增长。 片式氧化锌压敏电阻器是采用氧化锌压敏陶瓷材料，经过电子陶瓷流延工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。由于片式氧化锌压敏电阻器可应用于电子电源线路和数据传输线路中，因此被保护电路的工作电压范围较宽，同时数据线对其电容有特殊要求。通过结构设计和工艺调整（如层数和膜厚等），可以得到不同线路保护要求的压敏电阻器。其结构和线路如图4： 2、TVS管 TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）或称瞬变电压抑制二极管是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品，其电路符号和普通稳压二极管相同,外形也与普通二极管无异,分为单向和双向，具有非线性导电特性，用于线路抑制过电压、ESD防护。目前TVS管PN结的反向击穿电压一般大于6V，当施加电压小于其反向PN结击穿电压时，属于肖特基势垒热电子发射电导，其导通电流与PN结势垒及温度有关；当施加电压大于其反向PN结击穿电压（6V）时，属于雪崩电子击穿导电，其导通电流只与所施加电压有关，雪崩电子击穿时间可达1～2ns。由于TVS管也是PN结微观结构，其等效电路类似图2。TVS管只有PN结，无晶粒电阻，即Rg=0。因此当施加电压大于其反向PN结击穿电压时，PN结雪崩电子击穿导电，施加电压主要加在PN结电阻Rb上，Rb阻值只有欧姆级，因此当外施电压大于TVS击穿电压（即压敏电压）时，呈现导体低阻值，通过电流有几十安培，而且随着通过TVS电流急速增长，而TVS两端电压仍然很低（相对片式氧化锌压敏电阻器而言）。能量耗散对比以及对应用表现的影响基于以上导通机理分析，当片式TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以纳秒级时间使其PN结阻抗骤然降低，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。由于TVS管内部仅是雪崩PN结结构，在导通时TVS两端呈现导体低阻值特性，从而限制电压较压敏电阻更低，在TVS上支路上的通流更大，该特性适合应用于耐ESD电压特别差或者被保护部位阻抗特别小的部位(如听筒，MIC,音频等)。但TVS无法吸收瞬间脉冲能量，只能将能量单方向传导至线路的公用地线上，有可能对连接到该公共地的其他ESD敏感器件造成二次破坏。压敏电阻内部微观结构是无数个PN结和晶粒的串并联结合体，可以吸收和传导能量，当线路中产生任何过电压时，压敏电阻器迅速从兆欧级绝缘电阻变为欧姆级的电阻，将过电压抑制到较低的水平并吸收部分能量，因此压敏电阻的吸收能量的能力比TVS管要强，并且能防止ESD造成的瞬态EMI和二次破坏。压敏电阻的特性特别适合于电源部位和较大瞬态能量的部位过压防护。响应时间作为过电压保护元件，当过电压出现时，保护元件从高阻值绝缘体变为低电阻导体、即将过电压的峰值电压大幅降低的时间，称为过电压保护元件的响应时间。只有过电压保护元件的响应时间小于过电压的上升时间，才具有过电压的抑制功能。过电压保护元件响应时间是由元件材料及结构决定的，当产品结构中存在寄生电感、电容时，除对保护元件响应时间影响外，还会影响过电压产生瞬间线路的振荡过程。目前很多设计人员的意识里存在压敏电阻响应时间比TVS慢的误区，器件的响应时间一般由材料和产品结构决定，下面对这两个因素进行分析。 1、材料本征响应时间由上面的导通机理分析可以知道，氧化锌压敏陶瓷导电机理是隧道击穿，所以其材料响应时间就是其隧道电子击穿时间，一般为0.3ns。TVS管导电机理是雪崩击穿，其响应时间就是其雪崩电子击穿时间，一般在0.5~1ns之间。 2、产品结构对响应时间影响片式氧化锌压敏电阻器采用多层独石结构，其寄生电感非常小，对其响应时间影响甚微，有些设计人员谈到的压敏电阻响应时间慢主要指用于AC端防浪涌的插件压敏电阻，因为较长的引线引入寄生的电感导致响应时间较慢（25ns）。而TVS管为了SMT要求，在其两端设计电极引线，也会产生寄生电感，对其响应时间有一定影响。而ESD放电波形一般在1nS达到峰值（如图6），这就需要过电压防护器件在1nS内迅速响应，钳制过电压，保护IC和ESD敏感线路。从响应时间看，片式压敏电阻和TVS的响应时间都满足ESD防护的需求，从而起到良好的防护效果。 综合以上分析和对比，片式氧化锌压敏陶瓷电阻和TVS管均是抑制ESD的有效器件，TVS管限制电压较低，瞬态内阻较小，适合应用于耐ESD电压特别差或者被保护部位阻抗特别小的部位(如听筒，MIC,音频等)。而压敏电阻的吸收能量的能力比TVS管要强，除了一般的ESD防护，也特别适合于电源部位和较大瞬态能量的部位过压防护。在响应时间方面，要避免陷入片式氧化锌压敏陶瓷电阻的响应时间慢的误区。由于工艺的差异，片式压敏电阻的价格要远低于TVS，表现出良好的性价比，设计人员可以根据电路的实际应用灵活选择片式压敏电阻或者TVS。 TVS 是半导体保护器件，具有响应速度快，可靠性高的优点。弱点一是无法承受太大的瞬间电流，二是其箝位电压随着电流增加而增加。 特别适合于不需要旁路大能量的低电压场合应用。示例电路如下： 压敏电阻的突破承载取决于它的物理尺寸，因而可以获得较高的浪涌电流值。其箝位特性使他可以为AC或DC电源线应用中作为瞬态保护元件。压敏电阻的价格较为低廉。 相比TVS二极管它的缺点是寄生电容较大，响应时间较慢，离散性大。 另外，压敏电阻会产生蜕化，因此存在可靠性和性能问题。 实例电路AC200V电源防雷： DC12V/24V 电源防雷：
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