详解TBU与传统过压过流电路中保护元件的区别

本文从传统的保护元器件入手，对比传统过流过压保护元器件和TBU方案的工作方式，深度解析TBU与传统过压过流电路保护元件的区别及其应用限制，为广大工程师探索过压过流电路保护方案轻松设计之道。
 

图1：保护元器件
 

相对过压的保护元件，过流的保护元件主要分成图示上部分的几块，右边的元件反应速度快，但通流量较小，而左边的元件相反，所以需要做一些搭配。主要是整合器的元器件，如TBU。TBU把过流和过压的元器件组合在一起，可同时进行过流和过压保护。

传统过流和过压保护元器件的组合和工作方式

下图是最常见的组合图，可以看出怎样把过流和过压保护元器件放在一般的线路上。

图2：保护元器件组合图
 

过流的产品一定是串联在电路上，包含一般电阻或电压。而过压的产品主要并联在电路上，包含一级压、二级压、三级压。类似TBS管等，二级和三级基本可以互换，关键是怎样做搭配，保护系统的协调工作非常重要。

按传统的方式，当一个雷击进来之后，首先上升的一定是电压，一定是内部靠近IC部分的保护器件最先反应，若没有反应，内部线路肯定会被击穿；或TBS管一定要运作，作为开关直接关闭。

举例来说，由于过电压产品最怕电流质，而过电流产品最怕电压，当TBS打开之后，所有的电流都会往一边流。若出现一个很大的雷击，这个TBS管一定会被击穿。所以必须要在外面摆上一个气体管，来保护这个TBS管。当电流经过这个管后，其电压会持续上升，靠近外面的气体放电管，必须要在动作之后才能保护TBS管。一般来讲，PDC的速度非常慢，所以单个雷击进来之后PDC没有办法动作。

TBU是近十年一个比较新的产品，是高速的保护器，也可以说是一个电子的限流器。现在来看看TBU的工作方式与传统过压过流保护元器件有何不同。


TBU的工作方式

图3：内部结构
 

TUB的内部结构

与传统的双向保险丝结构相比，TUB最重要的差异是电压部分。传统保险丝的工作方式是把电流导到地的方式，而TBU方式主要是用隔离的方式。雷击进来之后电流经过内部的IC去走，当电流超过触发点之后，TBU就会打开，TBU打开之后所有的能量都是隔绝在外，这时候电压还是会持续上升。在外部放一个气体管保护TBU。由于过电流产品最怕是电压。而TBU是过电流产品，假设选择的是一个850v的TBU，必须确定线路偷走的电压值不能够超过850v，所以必须在外部再摆一个气体放电管去保护TBU，这点与传统的方式有所区别。事实上两种应用方式的区别是后者做了开关，把能量全部阻绝在外面。

把TBU放入电路之后，电流会上升，这时候TBU就要打开，阻绝到电流跟电压，电路就被保护。当电压上升之后，因为其反应速度非常快，代表电流也上升，TBU动作之后会阻绝电压与电流的部分。TBU是电流启动电压回复的元件。当TBU没有动作的时候，如同电阻；电流超过之后，开关直接打开，承接高阻；当电压回复之后，TBU回复原本工作状态。

TBU的特殊之处

对于传统方式和使用TBU方式的差别，举一个最常见的例子进行说明。比如一个功率电阻加上一个TPS管，这个很便宜很常见，它的优点就是便宜，它缺点就是用交流电时无法回复。若考虑一个高等级的程序，可以用交流电，因为是850的TBU，如果是A型455V，所以说电流达到以后TBU就一直不断地开关，能够把所有的能量阻截在外面。如果8KV甚至上10KV以上的雷击，第一个要考虑的是这个TBE是不是能够卖10KB，如果能够到达10KB的时候，那就没有错，只要确定可以把电压限制在850V的电压以下就可以了。

TBU的主要应用

TBU的主要应用包含通讯、医疗、工业、消费电子等方面，具体应用可参考下图，其设计都非常简单。

图4：TBU通信类设计
 

如图所示，通讯应用保护的设计都非常非常简单，TBU加一个OPC，再加上一个GTP或是其他的，就成了一个保护方案。

图5：TBU工业类设计
 

工业应用包含单线或双线的保护，同样非常简单，TBU加一个气体管，再加一个非常小的TBS。在这里加上TBU管有什么好处呢？因为TBS反应速度非常快，可以很快反应，TBU很快就会打通，在打通之后，打开之后所有的线路的过流和高压都会阻绝在外面。


TVS/电阻解决方案与TBU解决方案应用对比

图6：方案应用对比
 

TBU与保护的协调

TBU的电压一般是850V以下，为什么不往上做到1500V甚至3000V、4000V？原因是过了安规之后，量越大所需面积越大，造成成本越高。推出高电压之后的成本会比原先成本高很多，而850V以下的TBU，比较符合现实程序的问题。如果要用850V的TBU必须做一些搭配，就是说必须在前面摆一个保护元件，以确保TBU两个端点的电压能够在850V以内。需加上的元件，主要分两大块，若用高速的信号传送，需用GDE；传输讯号频率较低，就可用MOV。当雷击进来的时候，第一个TBU会首先反应，反应之后，其电压持续上升，GDE其次反应，一旦反应开始就把所有能量导到地上。

综上所述，TBU具备五大优点：其将主要能量阻绝在外；由高压做成，反应速度很快；阻绝高压；在电路上串联，没有电容磁的问题；不工作时如同电阻，方便设计。同时，从TBU的应用案例可以看出，TBU方案确实可以起到使过压过流电路保护方案设计更轻松地作用，不过，从成本方面考虑，TBU的电压在850V以下时使用TBU方案比较适宜。