中心議題：
- SPD的成因和地位
- 常見(jiàn)的浪涌抑制器件特點(diǎn)
- 常見(jiàn)的浪涌抑制器件應(yīng)用方案
引言
21世紀(jì)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)代信息通信系及電子設(shè)備間的信息交流都是通過(guò)數(shù)據(jù)及高頻信號(hào)進(jìn)行傳遞。隨著近代高科技的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的高速發(fā)展，雷電災(zāi)害越來(lái)越頻繁，損失越來(lái)越大，僅靠避雷針已無(wú)法保護(hù)建筑物、人和電器設(shè)備。微電子設(shè)備及信息系統(tǒng)的電磁兼容能力低，抗雷電、電磁浪涌的能力弱，而雷電浪涌又無(wú)處不在，因此浪涌防護(hù)器是現(xiàn)代化的大廈、銀行、證交所、航空航天、船舶鐵路、石油化工---只要是具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、微電子設(shè)備、通信系統(tǒng)的場(chǎng)所必備的防護(hù)器件。近期多次、多處的通信暫停事故、設(shè)備損壞、油管油庫(kù)起火爆炸事故，不少是由雷電浪涌引起的線(xiàn)路過(guò)電壓) 過(guò)電流造成的，因此必須為建筑物、設(shè)備及系統(tǒng)安裝浪涌防護(hù)器。
浪涌保護(hù)器(Surge protective device, SPD) , 也稱(chēng)電涌保護(hù)器、避雷器等, 浪涌保護(hù)器并聯(lián)在被保護(hù)設(shè)備兩端，通過(guò)泄放浪涌電流、限制浪涌電壓來(lái)保護(hù)電子設(shè)備。泄放雷電流、限制浪涌電壓這兩個(gè)作用都是由其非線(xiàn)性元件（一個(gè)非線(xiàn)性電阻，或是一個(gè)開(kāi)關(guān)元件）完成的。在被保護(hù)電路正常工作。瞬態(tài)浪涌未到來(lái)以前，此元件呈現(xiàn)極高的電阻，對(duì)被保護(hù)電路沒(méi)有影響；而當(dāng)瞬態(tài)浪涌到來(lái)時(shí)，此元件迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楹艿偷碾娮?，將浪涌電流旁路，并將被保護(hù)設(shè)備兩段的電壓限制在較低的水平。到浪涌結(jié)束，該非線(xiàn)性元件又迅速、自動(dòng)地恢復(fù)為極高電阻。它的作用是保證電子設(shè)備免受浪涌過(guò)電壓(雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓等) 的破壞, 既不影響設(shè)備的正常工作, 又將過(guò)電壓限制在相應(yīng)設(shè)備的耐壓等范圍內(nèi), 目的在于限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分走電涌電流, 也是等電位連接的一種方法。浪涌防護(hù)系統(tǒng)最常用的防護(hù)器件主要有氧化金屬壓敏電阻（MOV）、硅瞬變電壓吸收二極管（TVS）、放電管等。不同特性的SPD應(yīng)用于不同的雷電防護(hù)環(huán)境，并通過(guò)級(jí)聯(lián)組合發(fā)揮作用。
1 SPD的成因和地位
SPD主要是保護(hù)電子設(shè)備免受雷電浪涌的危害 ,也兼而使電子設(shè)備免受大部分操作浪涌的危害。
1.1 浪涌的成因
浪涌是指瞬態(tài)電沖擊 ,包括浪涌沖擊、電流沖擊和功率沖擊。此處所謂瞬態(tài)是指持續(xù)時(shí)間大大低于工頻周期(0.02s)的瞬變過(guò)程。對(duì)地閃擊的雷電流波形的特點(diǎn)是上升時(shí)間極短 (0.1～幾個(gè)s) ,而下降時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)(幾十到幾百μs)的單極性波。典型操作浪涌波形是疊加在工頻波形上的幾百Hz到上百kHz的振蕩波 ,整個(gè)持續(xù)時(shí)間不過(guò)幾個(gè)工頻周期。雷電和操作電涌的峰值與很多因素有關(guān) ,出現(xiàn)在建筑物內(nèi)的電涌從近kV到幾十kV,如不加以限制會(huì)損壞電子設(shè)備。
電子設(shè)備遭受雷害會(huì)引起電子設(shè)備的誤動(dòng);電源設(shè)備和貴重的計(jì)算機(jī)及各種硬件設(shè)備的損壞 ,造成直接經(jīng)濟(jì)損失;引起電子設(shè)備正常工作的中斷 ,對(duì)社會(huì)造成不良影響和巨大的間接經(jīng)濟(jì)損失;還可能在微電子芯片中留下潛伏性的隱患 ,使電子設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定和加速老化 ,給有關(guān)系統(tǒng)的工作造成無(wú)窮的麻煩。
雷電途徑和綜合防雷措施如圖1所示。可以看出浪涌的成因有以下幾個(gè)方面：
1.1.1 直擊雷引起的反擊
信息系統(tǒng)一般不暴露在可能直接遭受雷擊的場(chǎng)所 ,直擊雷直接破壞電子設(shè)備幾無(wú)可能。雷害破壞電子設(shè)備的方式可能是由直擊雷電流通過(guò)接地裝置時(shí)造成的高電壓使電子設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)擊穿。這種雷害方式稱(chēng)為反擊。
1.1.2 侵入波
雷電擊中與電子設(shè)備連接的戶(hù)外架空線(xiàn)(交流配電線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)、電話(huà)線(xiàn)) ,則雷電波就會(huì)沿線(xiàn)傳入。這種方式稱(chēng)為侵入波。由于戶(hù)外線(xiàn)延伸很廣 ,因此雷電侵入的可能性較大。
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1.1.3 雷電感應(yīng)
直擊雷電流通過(guò)引下線(xiàn) (如建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋) 時(shí)在室內(nèi)引起電磁感應(yīng)。雖然感應(yīng)電壓不如前述幾種高 ,卻也足以破壞電子元件 ,而且它最接近電子設(shè)備 ,在建筑物內(nèi)部各處都可能出現(xiàn)。設(shè)備越是接近雷電流引下線(xiàn) ,感應(yīng)電壓越高。另一種情況是雷擊建筑物附近地面 ,雷擊通道的強(qiáng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也能在建筑物內(nèi)部引起電磁感應(yīng)。如雷電流較大 ,建筑物附近1.5～2 km的雷擊就有可能影響室內(nèi)的電子設(shè)備。
1.2 浪涌保護(hù)在綜合防雷體系中的地位
浪涌保護(hù)通過(guò)泄放雷電流、限制浪涌電壓來(lái)保護(hù)電子設(shè)備 ,是電子設(shè)備防雷的主要手段 ,也是內(nèi)部防雷保護(hù)的主要措施,從而成為綜合防雷體系（圖2）中的重要組成部分。僅有接閃器、接地裝置 ,并不能避免雷電波沿線(xiàn)路的入侵;也不能在實(shí)際可能的低接地電阻值下防止反擊。為了保護(hù)電子設(shè)備還需要電涌保護(hù)。反過(guò)來(lái)講,浪涌保護(hù)也以外部防雷保護(hù)為前提 ,浪涌保護(hù)也應(yīng)與內(nèi)部防雷保護(hù)其他措施(等電位連接 ,屏蔽) 密切配合。除非本建筑物受到附近其他更高建構(gòu)筑物提供的直接雷防護(hù) ,包含電子設(shè)備的建筑物應(yīng)具備一定的外部防雷保護(hù)措施。沒(méi)有接閃器 ,建筑物的安全都不能保證,何談內(nèi)部設(shè)備的安全。建筑物的接地電阻值過(guò)大,易于發(fā)生反擊,反擊時(shí)大部分雷電流不是向地下泄放而是經(jīng)SPD流向配電變壓器 ,加重了SPD的負(fù)擔(dān)。
作為一種保護(hù)措施 ,浪涌保護(hù)器的配置和浪涌保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)與人身保護(hù)措施(直接接觸保護(hù)和間接接觸保護(hù) ……漏電保護(hù))、短路保護(hù)等協(xié)調(diào) ,共同保證人身安全、設(shè)備安全和系統(tǒng)(如供電)工作的連續(xù)性。有些設(shè)備 ,如醫(yī)療急救設(shè)備 ,設(shè)備安全與人身安全密切相關(guān)。
2 常見(jiàn)的浪涌抑制器件特點(diǎn)及應(yīng)用
2.1 金屬氧化物壓敏電阻（Metal oxide varistor）
壓敏電阻由金屬氧化物（主要是氧化鋅）材料組成，屬箝位型器件，其特性與兩只背對(duì)背聯(lián)接的穩(wěn)壓管非常相似，有著毫微秒級(jí)的響應(yīng)速度。壓敏電阻對(duì)瞬變信號(hào)的吸收能力與其體積成正比：其厚度正比于電壓；面積正比于電流。壓敏電阻是目前在電子產(chǎn)品中使用最廣泛的浪涌抑制器件。當(dāng)壓敏電阻上的電壓超過(guò)一定幅度時(shí)，電阻的阻值大幅度降低，從而將浪涌能量泄放掉。在浪涌電壓作用下，導(dǎo)通后的壓敏電阻上的電壓（一般稱(chēng)為箝位電壓），等于流過(guò)壓敏電阻的電流乘以壓敏電阻的阻值，因此在浪涌電流的峰值處箝位電壓達(dá)到最高[1]。
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每一塊壓敏電阻從制成時(shí)就有它的一定的開(kāi)關(guān)電壓，當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于該數(shù)值時(shí)，壓敏電阻呈現(xiàn)高阻值狀態(tài)，如果把它并聯(lián)在電路上，該閥片呈現(xiàn)斷路狀態(tài)；當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于該數(shù)值時(shí)，壓敏電阻被擊穿，呈現(xiàn)低阻值，甚至接近短路狀態(tài)。這種擊穿狀態(tài)是可以恢復(fù)的。其開(kāi)關(guān)特性如下圖3 所示：
2.1.1 壓敏電阻的特點(diǎn)：
ａ）優(yōu)點(diǎn)：電壓范圍很寬，可從幾伏到幾千伏；吸收浪涌電流可從幾十到幾千安培，反應(yīng)速度快，無(wú)極性，無(wú)續(xù)流，峰值電流承受能力較大，價(jià)格低。
ｂ）缺點(diǎn)：鉗位電壓較高，一般可以達(dá)到工作電壓的２-３倍；而且，隨著受到浪涌沖擊次數(shù)的增加，漏電流增加；另外，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，寄生電容較大。
ｃ）適用場(chǎng)合：直流電源線(xiàn)、低頻信號(hào)線(xiàn)，或者與氣體放電管串聯(lián)起來(lái)用在交流電源線(xiàn)上 。
2.1.2 壓敏電阻的選擇：
ａ）從抑制瞬變干擾的角度出發(fā)，壓敏電壓要盡量降低以接近被保護(hù)電路的工作電壓；從提高元件壽命來(lái)看，又要拉開(kāi)兩者差距。一般折衷的選取方案為：對(duì)交流工作電路，壓敏電壓值為工作電壓的2.2倍；對(duì)直流工作電路，壓敏電壓值為工作電壓的1.5倍。
ｂ）通流量的選?。涸趯?shí)際應(yīng)用中，壓敏電阻所吸收的最大浪涌電流應(yīng)小于它的最大通流量。對(duì)同一應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)最大通流量增加一倍，壓敏電阻的壽命也同步增加一倍。
2.2 硅瞬變電壓吸收二極管（Transient voltage suppressor）
TVS為電壓箝位型工作方式，亞納秒級(jí)的響應(yīng)速度。TVS有多種封裝方式，可滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需要。當(dāng) TVS上的電壓超過(guò)一定的幅度時(shí)，器件迅速導(dǎo)通，通過(guò)PN結(jié)反向過(guò)壓雪崩擊穿將浪涌能量泄放掉。由于這類(lèi)器件導(dǎo)通后阻抗很小，因此它的箝位電壓很平坦，并且很接近工作電壓。
2.2.1 硅瞬變電壓吸收二極管的特點(diǎn)
ａ）優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間短，漏電流小，擊穿電壓偏差小，箝位電壓低（相對(duì)于工作電壓）動(dòng)作精度高，無(wú)跟隨電流（續(xù)流），體積小，每次經(jīng)受瞬變電壓后其性能不會(huì)下降，可靠性高。
ｂ）缺點(diǎn)：由于所有功率都耗散在二極管的PN結(jié)上，因此它所承受的功率值較小，允許流過(guò)的電流較小。一般的TVS器件的寄生電容較大，如在高速數(shù)據(jù)線(xiàn)上使用，要用特制的低電容器件，但是低電容器件的額定功率往往較小。
ｃ）適用場(chǎng)合：浪涌能量較小的場(chǎng)合。如果浪涌能量較大，要與其它大功率浪涌抑制器件一同使用，則把它作為后級(jí)防護(hù)。
2.2.2 硅瞬變電壓吸收二極管的選擇
ａ）最大箝位電壓VCMAX應(yīng)不大于電流的最大允許安全電壓。
ｂ）最大反向工作電壓VRWM應(yīng)不低于電路的最大工作電壓，一般略高于電路的工作電壓。
ｃ）TVS額定的最大脈沖功率必須大于電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。
?。洌?duì)小電流負(fù)載的保護(hù)，可在二極管之前串接適當(dāng)?shù)南蘖麟娮瑁瑥亩蛇x用小的峰值吸收功率的VS來(lái)?yè)?dān)任這一功能。
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2.3 氣體放電管（Gas discharge tube）
氣體放電管采用陶瓷密閉封裝，內(nèi)部由兩個(gè)或數(shù)個(gè)帶間隙的金屬電極，充以惰性氣體（氬氣或氖氣）構(gòu)成。當(dāng)加到兩電極端的電壓達(dá)到使氣體放電管內(nèi)的氣體擊穿時(shí)，氣體放電管便開(kāi)始放電，器件變?yōu)槎搪窢顟B(tài)，使電極兩端的電壓不超過(guò)擊穿電壓。氣體放電管一旦導(dǎo)通后，它兩端的電壓會(huì)很低。氣體放電管有兩極和三極之分，可分別用于線(xiàn)間和線(xiàn)－地間的保護(hù)。其伏秒特性如下圖5：
2.3.1 氣體放電管的特點(diǎn)
ａ）優(yōu)點(diǎn)：承受電流大，絕緣電阻高，漏電流小，寄生電容小。
ｂ）缺點(diǎn)：點(diǎn)火電壓高，殘壓較高，反應(yīng)時(shí)間慢≥100ns），動(dòng)作電壓精度較低，會(huì)慢性漏氣、有光敏效應(yīng)、離散性大。有跟隨電流（續(xù)流）。若跟隨電流的時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致放電管觸點(diǎn)迅速燒毀，從而縮短放電管的壽命。
ｃ）適用場(chǎng)合：信號(hào)線(xiàn)或工作電壓低于導(dǎo)通維持電壓的直流電源線(xiàn)上（一般低于10Ｖ）；與壓敏電阻組合起來(lái)用在交流電源線(xiàn)上。它具有很強(qiáng)的沖擊電流吸收能力，但有著較高的起弧電壓，所以比較適合做一級(jí)粗保護(hù)。
2.3.2 氣體放電管的選擇
在直流電路中氣體放電管的標(biāo)稱(chēng)電壓選擇為工作電壓的1.8倍；在交流電路中選擇為工作電壓有效值的2.5倍。氣體放電管標(biāo)稱(chēng)電流容量應(yīng)大于被保護(hù)電路的可能最大浪涌沖擊容量。由于有跟隨電流（續(xù)流），氣體放電管一般不可使用在直流電路中，除非直流工作電壓低于氣體放電管的擊穿維持電壓。
2.4 其它浪涌吸收器件
2.4.1 固體放電管
固體放電管是一種新的瞬變電壓吸收器件，與氣體放電管一樣同屬能量轉(zhuǎn)移型保護(hù)器件，但性能更理想。如通態(tài)壓降僅3V左右，接近短路；納秒級(jí)的響應(yīng)速度；動(dòng)作電壓穩(wěn)定；使用壽命長(zhǎng)；能雙方向吸收正、負(fù)極性的瞬變電壓。 固體放電管有一定的結(jié)電容；在脈沖狀態(tài)下觸發(fā)電壓較直流擊穿電壓稍有提高（如200V的管子其脈沖觸發(fā)電壓為350V），比氣體放電管要好得多。固體放電管的失效模式是短路，其意義在于不會(huì)使故障擴(kuò)大，也便于值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和處理故障[3]。
2.4.2 晶閘管型防護(hù)器件
晶閘管型防護(hù)器件有兩種：
ａ）控制柵極型雙向三端器件， 如SCR、TRLAO等。因?yàn)榇蠖鄶?shù)電源電路的輸出端都有電壓過(guò)載保護(hù)，用一個(gè)電平觸發(fā)SCR的控制柵極將輸出短路而中斷供電，響應(yīng)時(shí)間約100μS，這對(duì)電壓敏感的器件有可能造成損壞，它的優(yōu)點(diǎn)是耐電流量大，缺點(diǎn)是點(diǎn)火電壓易變化，響應(yīng)時(shí)間慢。
ｂ）控制維持電流型雙向兩端器件。由PNPNP五層組成，其結(jié)構(gòu)是在單芯片上逆向并聯(lián)組成的復(fù)合器件。該器件的直流放電開(kāi)啟電壓與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系基本上不隨浪涌電壓上升率的增加而增加，浪涌電流增加時(shí)，該器件的直流放電開(kāi)啟電壓基本保持不變。該器件還具有響應(yīng)速率快、不需多級(jí)防護(hù)電路、耐電流量大、靜電容量小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于防護(hù)雷電浪涌。
2.5 氣體放電管和壓敏電阻組合應(yīng)用
氣體放電管和壓敏電阻都不適合單獨(dú)在交流電源線(xiàn)上使用。一個(gè)實(shí)用的方案是將氣體放電管與壓敏電阻串聯(lián)起來(lái)使用。如果同時(shí)在壓敏電阻上并聯(lián)一個(gè)電容，浪涌電壓到來(lái)時(shí)，可以更快地將電壓加到氣體放電管上，縮短導(dǎo)通時(shí)間。這種氣體放電管與壓敏電阻的組合除了可以避免上述缺點(diǎn)以外，還有一個(gè)好處就是可以降低限幅電壓值。可以使用導(dǎo)通電壓較低的壓敏電阻，從而可以降低限幅電壓值。
該連接方式對(duì)浪涌電壓的抑制作用如圖6所示。采用組合式保護(hù)方案能發(fā)揮不同保護(hù)器件的各自特點(diǎn)，從而取得最好的保護(hù)效果。
參考文獻(xiàn)：
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