隨著電子設(shè)備的激增和用戶安全法規(guī)的演變，設(shè)計人員一直在尋找各種方法來加強設(shè)備保護，同時又要最大限度地減少成本和電路板空間。問題是，電路保護很像保險：在需要它之前，可能看起來是不必要的開支。但確實需要這種保護來防止各種內(nèi)部和外部的失常和故障，包括內(nèi)部和外部短路、過流和電壓浪涌情況。這些情況可能會導(dǎo)致系統(tǒng)暫時或永久性地失能；損害系統(tǒng)、其內(nèi)部組件或負(fù)載；甚至導(dǎo)致對用戶的傷害。

　　沒有單一的保護方案適用于所有的故障和情況。例如，在實施過壓保護 （OVP） 時，像氣體放電管 （GDT） 這樣的撬棍裝置一般更適合于長期故障，而金屬氧化物壓敏電阻 （MOV） 等箝位裝置則更適合于瞬時事件。然而，GDT 會因為“維持電流”而保持持續(xù)擊穿，而 MOV 可能永久失效，并可能因熱擊穿而達到危險的高溫。以混合方式將兩種元件串聯(lián)在一起，可以彌補任何潛在的問題，但這種方法使得電路板布局復(fù)雜化，并增加了成本。因此我們需要在設(shè)計方面取得進展，以消除這種危害。

　　本文介紹了 OVP 保護的重要性及其各種實現(xiàn)方法。然后，介紹了 IsoMOV 技術(shù)，該技術(shù)在單一器件中將 GDT 和 MOV 的優(yōu)勢集于一體，實現(xiàn)了更長的壽命且無維持電流。最后介紹了幾款來自 Bourns， Inc. 的實例器件，描述了它們的突出特點，并說明如何進行選型和使用，以實現(xiàn)有效的、低成本的保護。

　　保護有多個角度

　　對于電路和系統(tǒng)保護，沒有“萬全之策”。這有兩個原因：第一，有許多故障類型和情形需要保護；第二，故障條件的大小和持續(xù)時間決定了所需保護的類型和堅固程度。

　　在許多這些一般性故障情況中，有以下幾種：

　　過流，即由于外部故障、短路或內(nèi)部元件故障（包括絕緣故障）導(dǎo)致的負(fù)載電流過大。

　　過壓，系統(tǒng)的某個部分由于連接錯誤而承受過高的電壓。

　　過熱，由于設(shè)計不良、熱管理不足或環(huán)境熱量過高，導(dǎo)致組件過熱。

　　組件故障，即一個內(nèi)部組件發(fā)生故障，導(dǎo)致過流/過壓情況，從而損壞其他組件或負(fù)載。

　　故障的后果往往也不僅僅是影響或破壞一個系統(tǒng)，因為它們可能會導(dǎo)致用戶觸電。

　　用于浪涌保護的撬棍裝置和箝位裝置

　　在交流和直流電路中，最具挑戰(zhàn)性的故障條件是過壓浪涌，稱為暫時過壓 （TOV） 事件。這種短脈沖或尖峰往往是由于附近的雷擊或電氣開關(guān)，將有害的瞬變注入電氣設(shè)備及其敏感的電子設(shè)備。

　　有兩大類浪涌保護裝置 （SPD） 用來處理過壓和 TOV 事件：撬棍裝置和箝位裝置。（注意，在非正式討論中，這些術(shù)語有時可以互換使用，但它們并不一樣）。

　　簡而言之，撬棍裝置是所保護線路的短接電路，從而將浪涌及其電流轉(zhuǎn)移到接地，防止其到達電路（圖 1）。當(dāng)過壓情況發(fā)生時，撬棍裝置被觸發(fā)進入這種低阻抗模式。

　　有趣的題外話：“撬棍”一詞據(jù)說源自電力早期的產(chǎn)業(yè)工人的操作，當(dāng)發(fā)生過壓情況時，他們會將一個真正的金屬撬棍扔到電源和接地母線上。

圖 1：當(dāng)撬棍保護功能觸發(fā)時，它會成為其所保護線路與地之間的低阻抗路徑，從而將過壓浪涌轉(zhuǎn)移到地。（圖片來源：Bourns Inc.）

　　撬棍一直處于低阻抗模式，直到電流下降到“保持電流”以下，這時它會又回到高阻抗的正常工作狀態(tài)。它必須能夠在電源處于過壓狀態(tài)的時間內(nèi)處理流過它的電流。

　　相比之下，箝位裝置可以防止電壓超過預(yù)設(shè)水平（圖 2）。當(dāng)瞬態(tài)電壓達到箝位裝置額定的限制水平時，它會箝制住電壓，直到故障熄滅，這時線路將恢復(fù)到正常運行模式。重要的是，額定箝位電壓要高于正常工作電壓。

圖 2：與撬棍相反，箝位裝置將過壓浪涌限制在一個預(yù)定的值內(nèi)。（圖片來源：Bourns Inc.）

　　當(dāng)瞬態(tài)電壓高于箝位裝置的傳導(dǎo)電壓時，箝位裝置傳導(dǎo)的電流剛好能將其兩端的電壓維持在一個安全、理想的值。這種電流雖然很小，但會導(dǎo)致一些必須解決的安全相關(guān)問題，而且可能需要額外的保護，這個問題將在下文進一步討論。其額定值必須是其在特定時間內(nèi)必須耗散的功率，這通常是一個相對較短的瞬態(tài)事件。

　　實現(xiàn) OVP 功能

　　由于撬棍和箝位裝置是重要的保護裝置，因此它們必須簡單、可靠，容易理解，且具有一致的性能屬性。在這種情況下，它們就像熱激活保險絲一樣，是經(jīng)典的過流保護元件，經(jīng)常用作額外的保護層。

　　撬棍裝置：最常見的撬棍裝置是 GDT，其火花間隙經(jīng)過精心設(shè)計和構(gòu)造，位于一個充滿惰性氣體的密封外殼中。在正常操作中，在發(fā)生 TOV 事件之前，它看起來像一個接近無限大的電阻（圖 3）。然而，當(dāng)過壓浪涌發(fā)生并超過 GDT 的設(shè)計電壓時，氣體會電離，管子會像火花間隙一樣“閃光”，并從高阻抗切換到非常低的阻抗。這一變化將暫時使線路短路，直到故障熄滅。

圖 3：GDT 是一個復(fù)雜的火花間隙器件，只有當(dāng)其兩端的電壓超過其設(shè)計值時才會導(dǎo)通；在此之前，它看起來像一個幾乎完美的斷開電路。（圖片來源：Bourns Inc.）

　　GDT 常用于直流電路、電信電路和信號電路，所有這些電路的電流一般都相當(dāng)?shù)停瑸?1 安培或更低。請注意，與電影中看到的巨大 GDT 相反，低電平浪涌的 GDT 是一個小型的、封裝好的、可安裝在印刷電路板上的元件，是看不到閃爍的火花的。較小 GDT 的額定電壓為 75 至 600 伏；較大 GDT 的額定值可達數(shù)千伏。GDT 有一個問題就是其存在后續(xù)電流（也稱維持電流），即，即使在故障解除后仍有電流繼續(xù)流動。

　　箝位裝置：兩個最廣泛使用的箝位裝置選擇是電源瞬態(tài)電壓抑制器 （PTVS） 二極管和金屬氧化物壓敏電阻 （MOV），兩者都常用于交流和直流電路、電機、通信線路和傳感電路的大電流保護（圖 4）。MOV 的額定電壓為幾十伏到一千多伏。

圖 4：金屬氧化物壓敏電阻（和功率瞬態(tài)電壓抑制器）提供了一個覆蓋廣泛設(shè)計范圍的箝位電壓。（圖片來源：Bourns Inc.）

　　MOV 通常會傳導(dǎo)少量的漏電電流，即使應(yīng)用的電壓遠遠低于其標(biāo)稱的閾值電壓。如果 MOV 受到超過其額定值的電壓浪涌，就會發(fā)生永久性損壞，導(dǎo)致泄電電流增加。盡管這種電流通常只有幾毫安培，但在某些情況下也會帶來電擊危險。

　　此外，如果泄電電流足夠大，MOV 內(nèi)部會自發(fā)熱。當(dāng) MOV 連續(xù)連接在交流電源上時，這種自熱會產(chǎn)生正反饋，即泄電電流越大自熱就越多，而自熱越多又會導(dǎo)致泄電電流越大。隨后的激增會進一步加速這一循環(huán)。

　　在某些時候，MOV 將進入熱失控模式，產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量并破壞 MOV。在某些情況下，MOV 產(chǎn)生的熱量可能成為潛在的點火源 （PIS），導(dǎo)致附近的材料起火。出于基本安全和安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，必須考慮和處理這種影響。

　　一個更好的 OVP 解決方案

　　為了提供一個幾乎沒有漏電電流的 OVP 解決方案，從而延長工作壽命，設(shè)計人員經(jīng)常采用雙組件結(jié)構(gòu)。這種混合方法將兩個分立器件組合在一起：將 GDT 與 MOV（圖 5）串聯(lián)，組合后電壓與時間曲線見圖 6。

圖 5：串聯(lián) GDT 和 MOV 的混合方法提供了一個更有效的 OVP 解決方案。（圖片來源：Bourns Inc.）

圖 6：GDT + MOV 混合排列的時間響應(yīng)顯示了每個器件的基本響應(yīng)屬性是如何組合一起的。（圖片來源：Bourns Inc.）

　　這是一種有效的方式，讓每個器件補償另一個器件可能缺點。然而，這種方法也有成本。

　　它需要更多的電路板空間

　　物料清單 （BOM） 中還加入了另一個組件

　　另一個挑戰(zhàn)是，MOV 和 GDT 區(qū)域的電路板布局因法規(guī)要求而變得復(fù)雜，這些要求定義了最小的爬電距離和間隙距離。

　　間隙是兩個導(dǎo)電部件之間在空氣中的最短距離

　　爬電距離是指兩個導(dǎo)電部件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離

　　問題是，間隙和爬電距離隨著電壓的增加而增加。因此，布置 MOV 和 GDT 元件時增加了另一個強制和約束，需要考慮到電路板布局。

　　為了幫助設(shè)計人員解決這些成本、空間和監(jiān)管問題，Bourns， Inc. 開發(fā)了 IsoMOV 系列的混合保護元件。該系列提供了一種替代解決方案，將 MOV 和 GDT 結(jié)合在一個單一的封裝中，提供了與串聯(lián)分立 MOV 和 GDT 相當(dāng)?shù)墓δ埽▓D 7）。

圖 7：IsoMOV（右）原理圖符號顯示它是由 GDT（中，左）和 MOV（上和下，左）單個標(biāo)準(zhǔn)符號合并而成的。（圖片來源：Bourns Inc.）

　　我們看一下 IsoMOV 的結(jié)構(gòu)就會發(fā)現(xiàn)，它不僅僅是一個簡單的將 MOV 和 GDT 共同包裝在一個共用外殼中（圖 8）。

圖 8：IsoMOV 的物理結(jié)構(gòu)是一個完全不同的混合功能的實現(xiàn)，而非兩個單獨現(xiàn)有設(shè)備的共同封裝。（圖片來源：Bourns Inc.）

　　內(nèi)核組裝完成后，連接引線，并對單元進行環(huán)氧樹脂涂覆。其結(jié)果是一個熟悉的徑向盤式 MOV 封裝，只是稍微厚一些，直徑比類似額定值的傳統(tǒng)裝置小一些。此外，由于采用了金屬氧化物專利技術(shù)設(shè)計，IsoMOV 組件在相同的尺寸下還具有更高的額定電流。板空間占用麻煩和爬電/間距問題得以消除。

　　IsoMOV 不僅僅做到了“兩全其美”，而且還有其他設(shè)計優(yōu)勢。MOV 故障有一個特征，通常在金屬化區(qū)域的邊緣會出現(xiàn)所謂的“浪涌孔”，這通常是由于在浪涌期間 MOV 內(nèi)部的溫度升高造成的。Bourns 設(shè)計了獨特的 EdgMOV 技術(shù)，專門用來大幅減少或消除這種故障模式。

　　讓我們來看一個實際 IsoMOV 型號，以獲得更詳細的了解。ISOM3-275-B-L2 的最大額定連續(xù)工作電壓 （MCOV） 為 275 伏均方根 （rms） /350 伏直流；額定電流為 3千安 （kA）/15 次操作，6 千安/1 次操作（最大）。另外，值得特別關(guān)注的是，它在 20 千赫茲 （kHz） 時的電容很低，只有 30 皮法 （pF），因此很適合高速數(shù)據(jù)線路，而且其漏電電流很低，低于 10 微安 （μA）。

　　標(biāo)準(zhǔn)的作用

　　設(shè)計工程師必須實施各種形式的浪涌或其它保護，原因很多，從審慎的設(shè)計實踐要求到各種監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。其中一些標(biāo)準(zhǔn)是通用的，適用于符合一般操作情況的任何設(shè)備，如交流線路操作；另一些標(biāo)準(zhǔn)則專門針對某類應(yīng)用，如醫(yī)療設(shè)備。在標(biāo)準(zhǔn)制定組織中，有 UL、IEEE 和 IEC；他們的許多標(biāo)準(zhǔn)是“協(xié)調(diào)”的，因此是相同的，或幾乎相同。

　　所有這些標(biāo)準(zhǔn)都很復(fù)雜，有許多規(guī)定；它們還包括例外情況，列出了在某些情況下可以取消的步驟或功能，以及在其他情況下必須增加的額外要求。例如，IEC 60950-1“信息技術(shù)設(shè)備 – 安全”和 UL/IEC 62368-1 以及“音頻/視頻、信息和通信技術(shù)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn) – 第一部分：安全要求”（2020 年取代了 IEC 60950-1）都要求 MOV 的額定電壓至少為設(shè)備額定電壓的 125%。因此，對于 240 伏均方根的主電路來說 ，MOV 的額定電壓必須至少是 300 伏均方根。

　　考慮一下常見的交流線路插頭的情況，它有兩個和三個孔的版本。理論上，三線制版本提供了一個安全地線，但在實踐中，該地線往往沒有連接或無法使用。當(dāng)只有火線和中性線時，缺乏真正接地的安全地線連接會導(dǎo)致潛在的危險狀況。在這種情況下，有必要在設(shè)計中加入保護組件，以防止用戶在觸摸本應(yīng)接地但沒有接地的導(dǎo)電部件時可能發(fā)生的觸電。但在這種情況下，少量的 MOV 漏電電流仍可能造成電擊危險。

　　防止 MOV 漏電電流變得這樣危險的最常見解決方案是將至少一個 GDT 與 MOV 串聯(lián)（圖 10）。通過使用 IsoMOV 器件，一個封裝同時實現(xiàn)了 MOV 和 GDT 功能，從而節(jié)省了板空間。因此，IsoMOV 也是一個解決問題的組件，它簡化了滿足 UL/IEC 62368-1 所要求的安全措施。

圖 ：為了消除在不接地的應(yīng)用中由于不可避免的泄電電流造成的用戶觸電危險，可以將兩個器件（一個 MOV 和一個 GDT）串聯(lián)在交流線路的火線和中性線之間。（圖片來源：Bourns Inc.）

圖 ：使用獨立 MOV 和 GDT 的替代方案是使用單個 IsoMOV 器件，從而獲得相同或更好的性能，并實現(xiàn)更小的整體解決方案尺寸。（圖片來源：Bourns Inc.）

　　結(jié)語

　　人們經(jīng)常問工程師哪種解決方案“最好”。在大多數(shù)情況下，只有折中方案，沒有單一、簡單的答案。一般來說，在實現(xiàn)過壓保護時，撬棍裝置更適合于長期故障，而箝位裝置則更適合于瞬時事件。但是使用這兩個裝置都會增加板空間占用，并使電路板布局復(fù)雜化。

　　現(xiàn)在，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，沒有必要妥協(xié)了。Bourns 的 IsoMOV 比單獨 MOV 實現(xiàn)了更長的運行壽命，但沒有 GDT 的后續(xù)電流問題。這些器件同時提供浪涌和過壓保護，以較小板空間占用滿足了所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，其低漏電電流將后續(xù)問題降至最低，而極低的電容也使得它們適用于保護低壓、高速電路。