浪涌保护设计

浪涌保护器件主要有气体放电管、压敏电阻、TVS嵌位二极管三种。其功能和特点如下：

1气体放电管：

工作原理：气体放电管采用陶瓷密闭封装，内部由两个或数个带间隙的金属电极，充以惰性气体（氩气或氖气）构成。当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管便开始放电，并由高阻变成低阻，使电极两端的电压不超过击穿电压。气体放电管可以用于数据线、有线电视、交流电源、电话系统等方面进行浪涌保护，一般器件电压范围从75～10000V，耐冲击峰值电流20000A，可承受高达几千焦耳的放电。

优点：通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小，寄生电容小，一般小于2pf

缺点：响应时间长，反应慢（=<100ns），残压高，动作电压精度低，有持续电流。

主要参数：

1）反应时间：指从外加电压超过击穿电压到产生击穿现象的时间，气体放电管反应时间一般在μs数量极。

    2）功率容量：指气体放电管所能承受及散发的最大能量，其定义为在固定的8×20μs电流波形下，所能承受及散发的电流。

    3）电容量指：在特定的1MHz频率下测得的气体放电管两极间电容量。气体放电管电容量很小，一般为≤1pF。

    4）直流击穿电压：当外施电压以500V/s的速率上升，放电管产生火花时的电压为击穿电压。气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压，其值取决于气体的种类和电极间的距离等因素。

    5）温度范围：其工作温度范围一般在－55℃～＋125℃之间。

    7）绝缘电阻：是指在外施50或100V直流电压时测量的气体放电管电阻,一般>1GΩ。

气体放电管的型号及选用：

气体放电管的击穿电压范围一般从75-10000V，从实际考虑只介绍75V的产品的相关参数及封装格式。详情请见PDF文档。

2压敏电阻：

工作原理：当加在压敏电阻两端电压低于压敏的开关电压时，压敏电阻呈现高阻值状态，当加在压敏电阻两端电压高于压敏电压时，压敏电阻即被导通，呈低阻值，甚至接近短路状态。当高电压撤消后，它又恢复为高阻态。压敏电阻是现在使用最广泛的浪涌保护器件，能在大多数低频和工频环境中使用。

优点：价格便宜，通流量容量大，残压较低，反应时间较快（≤50ns），无跟随电流（续流）。

缺点：漏电流较大，老化速度相对较快，相对于工作电压而言，钳位电压较高，随着受浪涌冲击次数的增加，漏电增加，寄生电容大（一般几千PF）。

主要参数：

1）残压：压敏电阻在通过规定波形的大电流时其两端出现的最高峰值电压。

2）通流容量：按规定时间间隔与次数在压敏电阻上施加规定波形电流后，压敏电阻参考电压的变化率仍在规定范围内所能通过的最大电流幅值。

    3）泄漏电流：在参考电压的作用下，压敏电阻中流过的电流。

    4）额定工作电压：允许长期连续施加在压敏电阻两端的工频电压的有效值。而压敏电阻在吸收暂态过电压能量后自身温度升高，在此电压下能正常冷却，不会发热损坏。

5）压敏电压，即击穿电压或阈值电压。指在规定电流下的电压值，大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值，其产品的压敏电压范围可以从10－9000V不等。可根据具体需要正确选用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp为电路额定电压的峰值。VAC为额定交流电压的有效值。

压敏电阻的型号：

压敏电阻具有多种型号，而浪涌一般采用MYL1浪涌系列，其不同规格和参数如下表所示。

压敏电阻的选用：

压敏电阻的压敏电压（min(U1mA））、通流容量是电路设计时应重点考虑的，为了保证压敏电阻在电源电路中应用时，有适当的安全裕度，在直流回路中，应当有：min(U1mA) ≥(1.6～2)Udc，式中Udc为回路中的直流额定工作电压。在信号回路中时，应当有：min(U1mA)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言，压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。

1）压敏电压的选取：一般地说，压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用，在正常情况下，压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压，即使在电源波动情况最坏时，也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压，该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。对于过压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般应使用下式进行选择：

VmA＝av／bc

    式中：a为电路电压波动系数，一般取1．2；v为电路直流工作电压（交流时为有效值）；b为压敏电压误差，一般取0．85；c为元件的老化系数，一般取0．9。

这样计算得到的VmA实际数值是直流工作电压的1．5倍，在交流状态下还要考虑峰值，因此计算结果应扩大1．414倍。另外，选用时还必须注意：

A必须保证在电压波动最大时，连续工作电压也不会超过最大允许值，否则将缩短压敏电阻的使用寿命；

    B在电源线与大地间使用压敏电阻时，有时由于接地不良而使线与地之间电压上升，所以通常采用比线与线间使用场合更高标称电压的压敏电阻器。

2）流通量的选取：通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形、冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品所能承受的最大电流值。而产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数，当电流波形幅值降低50％时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中，压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量。

3嵌位二极管（TVS）：

工作原理：当TVS上的电压超过一定幅度时，器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压幅值在一定幅度。

优点：残压低，动作精度高，反应时间快（<1ns），无跟随电流（续流），嵌位电容低。

缺点：耐流能力差，通流容量小，一般只有几百安培。

主要参数：

    1）VRWV (Reverse Peak Working Voltage) ： 指 TVS 管最大连续工作的直流或脉冲电压。当这个反向电压加在 TVS 的两极间时，它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于最大反向漏电流；当 TVS 两端的电压继续上升，但还没有到达击穿电压 VBR 时， TVS 管可能继续呈现高阻状态。使用时 VRWM 不低于被保护电路的正常工作电压。设计时可选 VRWM ＝ 0.9VBR 。 /d;_ KB\\n_--非法转载将被追究责任& v_Uk%t?

    2）IPP (Maximum Reverse Peak Pulse Current) ：指 TVS 管允许流过的最大浪涌电流，它反映了 TVS 的浪涌抑止能力。一般厂家给出的浪涌电流都是以指数规律变化的。

    3）VBR (Reverse Breakdown Voltage): 在指定测试电流下 TVS 管发生雪崩击穿时的电压，它是 TVS ?tN__Dn_jt--防复制版权保护系统 ]z[*"^:__最小的击穿电压。在该状态发生时，TVS 的阻抗将变得很小。 VBR 会受到结温的影响而有所变化，因此一般 Datasheet 中给出的都是一个电压范围。如 VISHAY/1.5KE6.8A 的 TVS ，VBRMAX=7.48V; VBRMIN=6.12V 。 l3\\_€Xe;_\\--防复制版权保护系统___i|YX

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    4）VC (Maximum Clamping Voltage): 指 TVS 管流过最大浪涌电流（峰值为 IPP ）时其端电压由 VRWM 上升到一定值后保持不变的电压值。 TVS 管就是通过这个箝位电压来实现保护作用的，浪涌过后， IPP 随时间以指数的形式衰减，当衰减到一定值后， TVS 两端的电压开始下降，恢复原来状态。 VC 与 VBR 之比称为箝位因子，一般在 1.2 ～ 1.4 之间。 =Sa|4kA_:_--未经许可，禁止转载__)Adt-:__

    5）IR (Maximum Reverse Leakage Current) ：指在最大反向工作电压下流过 TVS 管的最大漏电流。

6）IT (Test Current) ：指 TVS 的 测试电流。TVS 的击穿电压 VBR 就是在此电流下测量得到。 y }l_)ZJFa--http://www.cn-pe.cny4Ty_t'`WD

    7）电容量 C ：电容量 C 是由硅片的面积和偏值电压决定，它是在特定的频率下测得的。C 的大小与 TVS 的电流承受能力成正比。在零偏值的条件下，随偏值电压的升高，该电容呈现下降趋势。电容的大小将影响 TVS 器件的响应时间。 ``| 

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TVS二极管的型号：

TVS二极管在市场上有多种型号和系列，其封装也有直插和贴片两种方式。一般按照不同的功率将其分为500w的SA系列，600w的P6KE、SMBJ系列，1500w的1N5629~1N63、1.5KE、LC、LCE系列，5000W的5KP系列，15000W的15KAP、15KP系列。由于在本方案中TVS二极管作为三级保护，600w已经足够满足需求，因此只介绍P6KE、SMBJ系列，其型号与参数如下表所示：

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TVS二极管的选用：

1）确定被保护电路的最大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端”容限。 

    2）TVS额定反向关断VBR应大于或等于被保护电路的最大工作电压，一般按公式VBR>=1.2VM,其中VM为最大工作电压。若选用的VBR太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。串行连接分电压，并行连接分电流。  

    3）TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。

    4）在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。 

    5）对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。 

    6）根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理；多线保护选用TVS阵列更为有利。 

    7）温度考虑。瞬态电压抑制器可以在－55~+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度工作，由于其反向漏电流ID是随增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从+25℃到+175℃，大约线性下降50％雨击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。 

三种器件的组合使用：

为了充分利用各种元件的优点，而摒除其缺点。在使用去藕阻抗的条件下采用这些元件的组合并联线路工作。自动控制系统所需的浪涌保护系统一般由二级或三级组成，利用各种浪涌抑制器件的特点，可以实现可靠保护。气体放电管一般放在线路输入端，做为一级浪涌保护器件，承受大的浪涌电流。二级保护器件采用压敏电阻，在μs级时间范围内更快地响应。对于高灵敏的电子电路，可采用三级保护器件TVS，在ps级时间范围内对浪涌电压产生响应。如图5所示，当雷电等浪涌到来时，TVS首先起动，会把瞬间过电压精确控制在一定的水平；如果浪涌电流大，则压敏电阻起动，并泄放一定的浪涌电流；两端的电压会有所提高，直至推动前级气体放电管的放电，把大电流泄放到地。

压敏电阻的原理和作用、用途

2007-03-09 23:38

压敏电阻 压敏电阻是中国的名词，意思是"在一定电流电压范围内电阻值随电压而变"，或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。相应的英文名称叫“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”。 

压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的"氧化锌"（ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素（Zn）和六价元素氧（O）所构成。所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。 

在中国，压敏电阻器是按其用途来命名的，称为"突波吸收器"。压敏电阻器按其用途有时也称为“电冲击（浪涌）抑制器（吸收器）”。氧化锌压敏电阻又称突波吸收器,系一种具有电压电流对称特性之压敏属性电阻器.它主要的设计是用来保护所有的电子产品或元件免于受开关或雷击诱发所产生之突波的影响,而其非线性指数的特性与广泛的应用范围以及可以量产等优点,已逐渐地被应用在各种不同领域的电子工程方面.

“MY”表示，如加J为家用，后面的字母W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K分别用于稳压、过压保护、高频电路、防雷、灭弧、消噪、补偿、消磁、高能或高可靠等方面。压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量，但不能承受毫安级以上的持续电流，在用作过压保护时必须考虑到这一点。压敏电阻的选用，一般选择标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数。 

 1、所谓压敏电压，即击穿电压或阈值电压。指在规定电流下的电压值，大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值，其产品的压敏电压范围可以从10－9000V不等。可根据具体需要正确选用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp为电路额定电压的峰值。VAC为额定交流电压的有效值。ZnO压敏电阻的电压值选择是至关重要的，它关系到保护效果与使用寿命。如一台用电器的额定电源电压为220V，则压敏电阻电压值V1mA=1.5Vp=1.5××220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V，因此压敏电阻的击穿电压可选在470－480V之间。 

 2、所谓通流容量，即最大脉冲电流的峰值是环境温度为25℃情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过± 10％时的最大脉冲电流值。为了延长器件的使用寿命，ZnO压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。然而从保护效果出发，要求所选用的通流量大一些好。在许多情况下，实际发生的通流量是很难精确计算的，则选用2－20KA的产品。如手头产品的通流量不能满足使用要求时，可将几只单个的压敏电阻并联使用，并联后的压敏电不变，其通流量为各单只压敏电阻数值之和。要求并联的压敏电阻伏安特性尽量相同，否则易引起分流不均匀而损坏压敏电阻。

压敏电阻的型号及选用方法

  SJ1152-82部颁标准中压敏电阻器的型号命名分为四部分，各部分的含义见表1。

表1 压敏电阻器的型号命名及含义

第二部分用字母 “Y” 表示敏感电阻器为压敏电阻器。

第三部分用字母表示压敏电阻器的用途的特征。

第四部分用数字表示序号，有的在序号的后面还标有标称电压、通流容量或电阻体直径、电压误差、标称电压等。

例如：

压敏电阻是一种以氧化锌为主要成份的金属氧化物半导体非线性电阻元件；电阻对电压较敏感，当电压达到一定数值时，电阻迅速导通。由于压敏电阻具有良好的非线特性、通流量大、残压水平低、动作快和无续流等特点。被广泛应用于电子设备防雷。

主要参数：

1、残压：压敏电阻在通过规定波形的大电流时其两端出现的最高峰值电压。

2、通流容量：按规定时间间隔与次数在压敏电阻上施加规定波形电流后，压敏电阻参考电压的变化率仍在规定范围内所能通过的最大电流幅值。

3、泄漏电流：在参考电压的作用下，压敏电阻中流过的电流。

4、额定工作电压：允许长期连续施加在压敏电阻两端的工频电压的有效值。而压敏电阻在吸收暂态过电压能量后自身温度升高，在此电压下能正常冷却，不会发热损坏。

　　压敏电阻的不足：（1）寄生电容大 压敏电阻具有较大的寄生电容，一般在几百至几千微微法的范围。在高频信号系统中会引起高频信号传输畸变，从而引起系统正常运行。

（2）泄漏电流的存在 压敏电阻的泄漏电流指标既关系到被保护电子系统的正常运行，又关系到压敏电阻自身的老化和使用寿命。

压敏电阻的损坏形式：（1）当压敏电阻在抑制暂态过电压时能量超过其额定容量时，压敏电阻会因过热而损坏，主要表现为短路、开路。

MYL表示防雷型压敏电阻

MYE表示高负荷型压敏电阻,也有厂家用MYT表示通用型，MYL表示防雷型.

选用方法(一般情况）:

1、压敏电压值应大于实际电路的电压峰值，一般为：

U1mA =K1×/K2×K3× UC

U1mA ---- 压敏电压

UC ---- 电路直流工作电压（交流时为有效值）

K1 ---- 电源电压波动系数，一般取1.2 

K2 ---- 压敏电压误差,一般取0.85

K3 ---- 老化系数,一般取0.9

交流状态下，应将有效值变为峰值，即扩大√2倍，实际应用中可参考此公式通过实验来确定压敏电压值。

2、通流量

实际应用中，压敏电阻器所吸收的浪涌电流应小于压敏电阻的最大峰值电流，以延长产品的使用寿命。

“压敏电阻是中国的名词，意思是"在一定电流电压范围内电阻值随电压而变"，或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。相应的英文名称叫“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”。 

压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的"氧化锌"（ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素（Zn）和六价元素氧（O）所构成。所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。 

在中国，压敏电阻器是按其用途来命名的，称为"突波吸收器"。压敏电阻器按其用途有时也称为“电冲击（浪涌）抑制器（吸收器）”。 

2、压敏电阻电路的“安全阀”作用 

压敏电阻有什么用？压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值"UN"时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过UN时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。 

3、应用类型 

不同的使用场合，应用压敏电阻的目的，作用在压敏电阻上的电压/电流应力并不相同， 

因而对压敏电阻的要求也不相同，注意区分这种差异，对于正确使用是十分重要的。 

根据使用目的的不同，可将压敏电阻区分为两大类：①保护用压敏电阻，②电路功能用压敏电阻。 

3.1保护用压敏电阻 

（1） 区分电源保护用，还是信号线，数据线保护用压敏电阻器，它们要满足不同的技术标准的要求。 

（2） 根据施加在压敏电阻上的连续工作电压的不同，可将跨电源线用压敏电阻器可区分为交流用或直流用两种类型，压敏电阻在这两种电压应力下的老化特性表现不同。 

（3） 根据压敏电阻承受的异常过电压特性的不同，可将压敏电阻区分为浪涌抑制型，高功率型和高能型这三种类型。 

★浪涌抑制型：是指用于抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压的压敏电阻器，这种瞬态过电压的出现是随机的，非周期的，电流电压的峰值可能很大。绝大多数压敏电阻器都属于这一类。 

★高功率型：是指用于吸收周期出现的连续脉冲群的压敏电阻器，例如并接在开关电源变换器上的压敏电阻，这里冲击电压周期出现，且周期可知，能量值一般可以计算出来，电压的峰值并不大，但因出现频率高，其平均功率相当大。 

★高能型：指用于吸收发电机励磁线圈，起重电磁铁线圈等大型电感线圈中的磁能的压敏电压器，对这类应用，主要技术指标是能量吸收能力。 

压敏电阻器的保护功能，绝大多数应用场合下，是可以多次反复作用的，但有时也将它做成电流保险丝那样的"一次性"保护器件。例如并接在某些电流互感器负载上的带短路接点压敏电阻。 

3.2电路功能用压敏电阻 

压敏电阻主要应用于瞬态过电压保护，但是它的类似于半导体稳压管的伏安特性，还使它具有多种电路元件功能，例如可用作： 

（1）直流高压小电流稳压元件，其稳定电压可高达数千伏以上，这是硅稳压管无法达到的。 

（2）电压波动检测元件。 

（3）直流电瓶移位元件。 

（4）均压元件。 

（5）荧光启动元件 

4、保护用压敏电阻的基本性能 

（1）保护特性，当冲击源的冲击强（或冲击电流Isp=Usp/Zs)不超过规定值时，压敏电阻的电压不允许超过被保护对象所能承受的冲击耐电压（Urp）。 

（2）耐冲击特性，即压敏电阻本身应能承受规定的冲击电流，冲击能量，以及多次冲击相继出现时的平均功率。 

（3）寿命特性有两项，一是连续工作电压寿命，即压敏电阻在规定环境温度和系统电压条件应能可靠地工作规定的时间（小时数）。二是冲击寿命，即能可靠地承受规定的冲击的次数。 

（4）压敏电阻介入系统后，除了起到"安全阀"的保护作用外，还会带入一些附加影响，这就是所谓"二次效应"，它不应降低系统的正常工作性能。这时要考虑的因素主要有三项，一是压敏电阻本身的电容量（几十到几万PF），二是在系统电压下的漏电流，三是压敏电阻的非线性电流通过源阻抗的耦合对其他电路的影响

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,档TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达1*１0-12秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，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。 

TVS的反应速度绝对比RC回路快的多10e-12s,可不用考虑. 考虑TVS的击穿电压VBR,反响临界电压VWM,最大峰值脉冲电流IPP和最大嵌位电压VC及峰值脉冲功率PP. 

选择VWM等于或大雨电路工作电压,VC为小于保护器件的耐压值,能测量最好(IPP),或估计出脉冲的功率,选功率较大的TVS. 抑制反向的用单向TVS,有交流的用双向TVS

产品包括两大类过压防雷保护和过流保护： 

　　一。　过压防雷产品 

　　瞬态抑制二极管（TVS）：主要用低压电路和端口上（485，　232，　CAN等接口）的过电压和防雷保护。 

　　优点：反应速度快，残压低，漏电流小，寿命高，体积小！缺点：通流量小 

　　压敏电阻（Varistor）：主要用电路的电源端的过压和防雷保护。 

　　优点：通流量大，电压可达1800V　　缺点：残压高，漏电流大 

　　半导体放电管（TVSARRAY）：主要用通信线路或设备中的过压和防雷保护。 

　　优点：通流量大，电容性小，残压低，可保护多路　 

　　防静电保护器（ESD）：用于用于电路接口、芯片前端的一种抗静电保护器。可承受直接放电8KV或空气放电管15KV，最高可承受25KV空气放电。 

　　优点：体积小，有多路保护，电容性低，漏电流小　缺点：价格较高 

　　陶瓷放电管（GAS　TUBE）：主要用于线路中的防雷和过压保护，因为他是开关型器件，需要持续续流的电路中不能使用。 

　　优点：通流量大，能瞬间泄放大的电流　缺点：体积大 

　　玻璃气体放电管（SPARK　GAP）：主要用于线路中的防雷和过压保护，因为他是开关型器件，需要持续续流的电路中不能使用。和陶瓷管作用基本相同！常用于防静电保护！ 

　　优点：体积小 

 　缺点：通流量较小，电压偏离性大 

　　二极管类 

　　（稳压管、肖特基、快恢复、桥堆）。 

　　二。过流产品 

　　自恢复保险丝（PPTC）：是一种高分子材料聚合物为原料的自恢复型保险丝，常用于通讯设备，和各种控制板中，它还具有很好的搞浪涌能力，常与放电管搭配用来做电路防雷。由于对环境温度敏感，请选型时请教专业人员进行选型。 

　　优点：可自动恢复　　　 

　　缺点：对温度过于敏感，高电压的电流做的很小（250V电流最大做到2A，600V最大做到200MA） 

　　双金属温度保险丝片：汽车专用型保险丝 

　　本公司产品广泛用于：汽车电子控制，XDSL（ADSL、VDSL、ISDL）传输设备、T1／E1接口、传真机、电话机、电子仪器仪表、程控交换机及其配线架、数据线、网络交换机、ISDN、CATV、MODEM以及其他电子设备中。