防雷器件陶瓷放電管GDT_TVS_半導(dǎo)體放電管TSS_MOV等大匯總

1、 講解人：丁耀鴻 指導(dǎo)老師：雷斌防雷器件的學(xué)習(xí)防雷器件的學(xué)習(xí) 碩凱電子碩凱電子2前言1. 浪涌是如何產(chǎn)生的？雷電引起感應(yīng)雷，雷電侵入波，靜電放電，大功率設(shè)備的啟停，工程設(shè)計雷電引起感應(yīng)雷，雷電侵入波，靜電放電，大功率設(shè)備的啟停，工程設(shè)計不完善，如接地不合理，沒有安裝防浪涌裝置等。不完善，如接地不合理，沒有安裝防浪涌裝置等。2. 浪涌的危害? 1 1、系統(tǒng)癱瘓，設(shè)備停機，產(chǎn)品質(zhì)量下降導(dǎo)致商業(yè)競爭力減弱。、系統(tǒng)癱瘓，設(shè)備停機，產(chǎn)品質(zhì)量下降導(dǎo)致商業(yè)競爭力減弱。2 2、設(shè)備壽命降低，可靠性下降，造成成本上升。、設(shè)備壽命降低，可靠性下降，造成成本上升。3 3、由于微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，超大集成電路的應(yīng)用

2、，這些元、由于微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，超大集成電路的應(yīng)用，這些元 件的抗浪涌能力很低是造成設(shè)備損壞的主要原因。件的抗浪涌能力很低是造成設(shè)備損壞的主要原因。3. 如何有效的防止浪涌？l將浪涌電流引入地下l將輸出電壓鉗制在一個安全的水平上l不能阻止雷電的發(fā)生，但能防止其造成破壞。各種防雷元器件主要內(nèi)容1. GDT,TSS（電壓開關(guān)型）2. TVS,MOV（電壓鉗位型）3.電感，電阻，導(dǎo)線4.正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）5. 網(wǎng)絡(luò)變壓器6.保險絲1.1 GDT學(xué)習(xí)1.1.1 陶瓷氣體放電管（GDT）工作原理氣體放電管是一種開關(guān)型保護器件，工作原理是氣體放電。當(dāng)兩極間電壓足夠大時，極間間隙將放電擊穿，由

3、原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，類似短路。導(dǎo)電狀態(tài)下兩極間維持的電壓很低，一般在2050V，因此可以起到保護后級電路的效果。正常高阻態(tài)進入輝光狀態(tài)進入弧光狀態(tài)進入輝光狀態(tài)電流增加恢復(fù)高阻狀態(tài)外加過電壓無持續(xù)電流V-t曲線圖G 輝光放電區(qū)(Glow mode range）A/B 弧光放電區(qū)(Arc mode range)1.1.1 陶瓷氣體放電管（GDT）管子性能參數(shù)氣體放電管的主要指標(biāo)有：殘壓、響應(yīng)時間、直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量、絕緣電阻、極間電容、續(xù)流遮斷時間。氣體放電管的響應(yīng)時間可以達(dá)到數(shù)百ns以至數(shù)ms，在保護器件中是最慢的。絕緣電阻高109，通流量較其他防雷器件大，極間電容的

4、值非常小，一般在5pF以下，極間漏電流非常小，為nA級。因此氣體放電管并接在線路上對線路基本不會構(gòu)成什么影響。設(shè)置在普通交流線路上的放電管，要求它在線路正常運行電壓及其允許的波動范圍內(nèi)不能動作，則它的直流放電電壓應(yīng)滿足：min(ufdc)1.8UP。式中ufdc直流擊穿電壓，min(ufdc)表示直流擊穿電壓的最小值。UP為線路正常運行電壓的峰值。GDT性能參數(shù) 氣體放電管的續(xù)流遮斷是設(shè)計電路需要重點考慮的一個問題。如前所述，氣體放電管在導(dǎo)電狀態(tài)下續(xù)流維持電壓一般在2050V，在直流電源電路中應(yīng)用時，如果兩線間電壓超過15V，不可以在兩線間直接應(yīng)用放電管。在50Hz交流電源電路中使用時，雖然交

5、流電壓有過零點，可以實現(xiàn)氣體放電管的續(xù)流遮斷，但氣體放電管類的器件在經(jīng)過多次導(dǎo)電擊穿后，其續(xù)流遮斷能力將大大降低，長期使用后在交流電路的過零點也不能實現(xiàn)續(xù)流的遮斷；還存在一種情況就是如果電流和電壓相位不一致，也可能導(dǎo)致續(xù)流不能遮斷。因此在交流電源電路的相線對保護地線、相線對零線以及相線之間單獨使用氣體放電管都不合適，當(dāng)用電設(shè)備采用單相供電且無法保證實際應(yīng)用中相線和中線不存在接反的可能性時，中線對保護地線單獨使用氣體放電管也是不合適的，此時使用氣體放電管需要和壓敏電阻串聯(lián)。在交流電源電路的相線對中線的保護中基本不使用氣體放電管。(我司有斷續(xù)流產(chǎn)品BH601，原理是什么？)1.1.1 陶瓷氣體放電

6、管（GDT）應(yīng)用領(lǐng)域氣體放電管主要可應(yīng)用在交流電源口相線、中線的對地保護；直流RTN和保護地之間的保護；信號口線對地的保護；天饋口饋線芯線對屏蔽層的保護。氣體放電管的失效模式多數(shù)情況下為開路，因電路設(shè)計原因或其它因素導(dǎo)致放電管長期處于短路狀態(tài)而燒壞時，也可引起短路的失效模式。氣體放電管使用壽命相對較短，多次沖擊后性能會下降，同時其他放電管在長時間使用會有漏氣失效這種自然失效的情況，因此由氣體放電管構(gòu)成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題。1.1.2 GDT內(nèi)部結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)流程（1）、陶瓷氣體放電管分別由電極、 瓷管、焊料、陰極發(fā)射材料 （電子粉）、惰性氣體（2）、相關(guān)材料成份如下： 電極鐵鎳

7、合金（4J42） 瓷管95瓷（95%AL2O3） 焊料銀銅合金（AgCu28） 電子粉金屬氧化物混合體 惰性氣體Ne、Ar及相應(yīng)混合氣電極2焊料2瓷管1惰性氣體電極碳線瓷管電子粉焊料1.1.2 GDT內(nèi)部結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)流程電極清洗電子粉涂敷瓷管劃碳線瓷管吹塵裝配組合封接/老練電鍍加壓檢漏/測試檢測外觀點焊移印浸硅油 編帶包裝出售1.2 TSS學(xué)習(xí)1.2.1 半導(dǎo)體放電管TSS工作原理電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管（TSS，Thyristor Surge Suppressor）與TVS管相同，也是利用半導(dǎo)體工藝制成的限壓保護器件，但其工作原理與氣體放電管類似，而與壓敏電阻和TVS管不同。當(dāng)TSS管兩端的過

8、電壓超過TSS管的擊穿電壓時，TSS管將把過電壓鉗位到比擊穿電壓更低的接近0V的水平上，之后TSS管持續(xù)這種短路狀態(tài)，直到流過TSS管的過電流降到臨界值以下后，TSS恢復(fù)開路狀態(tài)。VDRMVDRM斷態(tài)電壓斷態(tài)電壓IDRMIDRM斷態(tài)電流斷態(tài)電流VSVS轉(zhuǎn)折電壓轉(zhuǎn)折電壓ISIS轉(zhuǎn)折電流轉(zhuǎn)折電流VTVT導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降ITIT導(dǎo)通電流導(dǎo)通電流IHIH維持電流維持電流1.2.1 半導(dǎo)體放電管TSS管子性能參數(shù)精確的導(dǎo)通電壓，快速的響應(yīng)速度（小于1ns）、浪涌吸收能力強、電容值低、雙向?qū)ΨQ、可靠性高。易于制成表貼器件，很適合在單板上使用，TSS管動作后，將過電壓從擊穿電壓值附近下拉到接近0V的水平，這

9、時二極管的結(jié)壓降小，所以用于信號電平較高的線路（例如：模擬用戶線、ADSL等）保護時通流量比TVS管大，保護效果也比TVS管好。TSS適合于信號電平較高的信號線路的保護。在使用TSS管時需要注意的一個問題是：TSS管在過電壓作用下?lián)舸┖螅?dāng)流過TSS管的電流值下降到臨界值以下后，TSS管才恢復(fù)開路狀態(tài)，因此TSS管在信號線路中使用時，信號線路的常態(tài)電流應(yīng)小于TSS管的臨界恢復(fù)電流。臨界恢復(fù)電流值隨TSS管的型號和設(shè)計應(yīng)用場合的不同而不同，使用時應(yīng)注意在器件手冊中查明所用具體型號的確切值。TSS管的擊穿電壓（min(UBR）、通流容量是電路設(shè)計時應(yīng)重點考慮的。在信號回路中時，應(yīng)當(dāng)有：min(UB

10、R)(1.21.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。1.2.1 半導(dǎo)體放電管TSS應(yīng)用領(lǐng)域TSS管較多應(yīng)用于信號線路的防雷保護。TSS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過的過電流太大時，也可能造成TSS管被炸裂而開路。TSS管的使用壽命相對較長。1.2.2 TSS內(nèi)部結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝1.2.2 TSS內(nèi)部結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝我司封裝工藝芯片訂購芯片訂購芯片脫粒芯片脫粒焊接組裝焊接組裝成型成型熟化熟化切彎腳切彎腳包裝入庫包裝入庫T.M.T.PT.M.T.P電鍍電鍍關(guān)鍵工序關(guān)鍵工序出貨出貨2. MOV,TVS參數(shù)性能2.1 MOV參數(shù)性能工作原理壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特

11、性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。壓敏電阻有碳化硅壓敏電阻和氧化鋅壓敏電阻。常用的是氧化鋅（ZnO）壓敏電阻，它主要是以氧化鋅為原料，添加多種微量金屬氧化物，它的外面包封環(huán)氧樹脂(可添加顏料)。2.1 MOV參數(shù)性能性能參數(shù)壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時間等。壓敏電阻的響應(yīng)時間為ns級，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號線路的保護中，應(yīng)用在交流電路的保護中

12、時，因為其結(jié)電容較大會增加漏電流，在設(shè)計防護電路時需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。壓敏電阻的壓敏電壓（min(U1mA）、通流容量是電路設(shè)計時應(yīng)重點考慮的。在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) (1.82)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) (2.22.5)Uac，式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時，有適當(dāng)?shù)陌踩６?。在信號回路中時，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA)(1.21.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應(yīng)根據(jù)防雷電路的設(shè)計

13、指標(biāo)來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設(shè)計的通流容量。2.1 MOV參數(shù)性能應(yīng)用領(lǐng)域壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號線路、帶饋電的天饋線路。壓敏電阻的失效模式主要是短路，當(dāng)通過的過電流太大時，也可能造成閥片被炸裂而開路。壓敏電阻使用壽命較短，多次沖擊后性能會下降。因此由壓敏電阻構(gòu)成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題。2. MOV,TVS參數(shù)性能2.2 TVS參數(shù)性能工作原理TVS（Transient Voltage Suppression）是一種限壓保護器件，作用與壓敏電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個較低的電壓值實現(xiàn)對后級電路的保護。

14、TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當(dāng)通過TVS管的過電流增大時，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細(xì)保護的電子電路中，應(yīng)用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護器中是最小的，一般用于最末級的精細(xì)保護，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護，直流電源的防雷電路使用TVS管時，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。 TVS管便于集成，很適合在單板上使用。2.2 TVS參數(shù)性能性能參數(shù)TVS管的主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結(jié)電容、響應(yīng)時間等。TVS的響應(yīng)時間可以達(dá)到ps級，是限壓型浪涌保

15、護器件中最快的。用于電子電路的過電壓保護時其響應(yīng)速度都可滿足要求。 TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結(jié)電容型TVS一般在幾百幾千pF的數(shù)量級，低結(jié)電容型TVS的結(jié)電容一般在幾pF幾十pF的數(shù)量級。一般分立式TVS的結(jié)電容都較高，表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號線路的保護中，應(yīng)主要選用低結(jié)電容的TVS管。TVS具有的另一個優(yōu)點是可靈活選用單向或雙向保護器件，在單極性的信號電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可以獲得比較低的殘壓。TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設(shè)計時應(yīng)重點考慮的。在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(UBR)(1.31.6)Umax，式中UBR為

16、直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是直流回路中的電壓峰值。2.2 TVS參數(shù)性能應(yīng)用領(lǐng)域TVS管主要可用于直流電源、信號線路、天饋線路的防雷保護。TVS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過的過電流太大時，也可能造成TVS管被炸裂而開路。TVS管的使用壽命相對較長。GDT,MOV,TVS比較總結(jié)3.電感，電阻，導(dǎo)線電感、電阻、導(dǎo)線本身并不是保護器件，但在多個不同保護器件組合構(gòu)成的防護電路中，可以起到配合的作用。防護器件中，氣體放電管的特點是通流量大、但響應(yīng)時間慢、沖擊擊穿電壓高；TVS管的通流量小，響應(yīng)時間最快，電壓鉗位特性最好；壓敏電阻的特性介于這兩者之間，當(dāng)一個防護電路要求整體通流量大，能夠?qū)崿F(xiàn)

17、精細(xì)保護的時候，防護電路往往需要這幾種防護器件配合起來實現(xiàn)比較理想的保護特性。但是這些防護器件不能簡單的并聯(lián)起來使用，例如：將通流量大的壓敏電阻和通流量小的TVS管直接并聯(lián)，在過電流的作用下，TVS管會先發(fā)生損壞，無法發(fā)揮壓敏電阻通流量大的優(yōu)勢。因此在幾種防護器件配合使用的場合，往往需要電感、電阻、導(dǎo)線等在不同的防護元件之間進行配合。3.電感，電阻，導(dǎo)線3.1 電感在串聯(lián)式直流電源防護電路中，饋電線上不能有較大的壓降，因此極間電路的配合可以采用空心電感，如下圖：電感應(yīng)起到的作用：防護電路達(dá)到設(shè)計通流量時，TVS上的過電流不應(yīng)達(dá)到TVS管的最大通流量，因此電感需要提供足夠的對雷擊過電流的限流能力

18、。在電源電路中，電感的設(shè)計應(yīng)注意的幾個問題：1、電感線圈應(yīng)在流過設(shè)備的滿配工作電流時能夠正常工作而不會過熱；2、盡量使用空心電感，帶磁芯的電感在過電流作用下會發(fā)生磁飽和，電路中的電感量只能以無磁芯時的電感量來計算；3、線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可以減小線圈的寄生電容，同時可以增強線圈對暫態(tài)過電壓的耐受能力；4、繞制電感線圈導(dǎo)線上的絕緣層應(yīng)具有足夠的厚度，以保證在暫態(tài)過電壓作用下線圈的匝間不致發(fā)生擊穿短路。在電源口的防護電路設(shè)計中，電感通常取值為715uH。3.電感，電阻，導(dǎo)線3.2 電阻在信號線路中，線路上串接的元件對高頻信號的抑制要盡量少，因此極間配合可以采用電阻，如下圖：電阻應(yīng)起到的作用

19、與前述電感的作用基本相同。以上圖為例，電阻的取值計算方法為：測得放電管的沖擊擊穿電壓值U1，查TVS器件手冊得到TVS管8/20us沖擊電流下的最大通流量I1、以及TVS管最高鉗位電壓U2，則電阻的最小取值為：R （U1-U2）/I1。在信號線路中，電阻的使用應(yīng)注意的幾個問題：1、電阻的功率應(yīng)足夠大，避免過電流作用下電阻發(fā)生損壞；2、盡量使用線性電阻，使電阻對正常信號傳輸?shù)挠绊懕M量小。3.電感，電阻，導(dǎo)線3.3 導(dǎo)線某些交/直流設(shè)備的滿配工作電流很大，超過30A，這種情況下防護電路的極間配合采用電感會出現(xiàn)體積過大的問題，為解決這個問題，可以將防護電路分為兩個部分，前級防護和后級防護不設(shè)計在同一

20、塊電路板上，同時兩級電路之間可以利用規(guī)定長度的饋電線來做配合。這種組合形成的防護電路中，規(guī)定長度饋電線所起的作用，與電感的作用是相同的，因為1米長導(dǎo)線的電感量在11.6uH之間，饋電線達(dá)到一定長度，就可以起到良好的配合作用，饋電線的線徑可以根據(jù)滿配工作電流的大小靈活選取，克服了采用電感做極間配合時電感上不能流過很大工作電流的缺點。4.正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC動作溫度值TS冷電阻（當(dāng)其本體內(nèi)溫度低于TS時，其阻值維持基本恒定，這時的阻值稱為冷電阻。）當(dāng)正溫度系數(shù)電阻本體那溫度高于TS時，其阻值迅速增大，可以達(dá)到的最大阻值能過比冷電阻值打104倍左右。由于它的阻值可以隨溫度升高而迅速增大，所以一般

21、串聯(lián)于線上用作暫態(tài)大電流的過流保護。PTC在信號線及電源線路上都有應(yīng)用。PTC反應(yīng)速度較慢，一般在毫秒級以上，因此它的非線性電阻特性在雷擊過電流通過時基本發(fā)揮不了作用，只能按它的常態(tài)電阻（冷電阻）來估算它的限流作用。熱敏電阻的作用更多的體現(xiàn)在諸如電力線碰觸等出現(xiàn)長時間過流保護的場合，常用于用戶線路的保護中。目前PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC兩種，其中陶瓷PTC的過電壓耐受能力比高分子材料的PTC好，但高分子材料的PTC響應(yīng)速度比陶瓷PTC快。通常陶瓷PTC不能實現(xiàn)低阻值，低阻值的PTC均采用的是高分子的材料。5.網(wǎng)絡(luò)變壓器變壓器本身并不屬于保護器件， ，但端口電路的設(shè)計中可以利用這些

22、器件具有的隔離特性來提高端口電路抗過電壓的能力。端口雷擊共模保護設(shè)計有兩種方法：1、線路對地安裝限壓保護器，當(dāng)線路引入雷擊過電壓時，限壓保護器成為短路狀態(tài)將過電流泄放到大地；2、線路上設(shè)計隔離元件，隔離元件兩邊的電路不共地，當(dāng)線路引入雷擊過電壓時，這個瞬間過電壓施加在隔離元件的兩邊。只要在過電壓作用在隔離元件期間，隔離元件本身不被絕緣擊穿，并且隔離元件前高壓信號線不對其他低壓部分擊穿，線路上的雷擊過電壓就不能夠轉(zhuǎn)化為過電流進入設(shè)備內(nèi)部，設(shè)備的內(nèi)部電路也就得到了保護。這時線路上只需要設(shè)計差模保護，防護電路可以大大簡化。例如以太網(wǎng)口的保護就可以采用這種思路。5.網(wǎng)絡(luò)變壓器采用這種方法設(shè)計需要注意的

23、是：變壓器元件本身的絕緣耐壓能力應(yīng)很高（例如沖擊耐壓大于4kV），否則在過電壓的作用下很容易發(fā)生絕緣擊穿，不能起到提高端口耐壓的作用。另外，利用變壓器的隔離特性時，需要注意變壓器的初/次級間有分布電容，某些情況下外部線纜上的共模過電壓可通過分布電容從初級耦合到次級，從而進入到內(nèi)部電路中，這樣就破壞了變壓器的隔離效果，因此應(yīng)盡量選用帶有初次極間屏蔽層的變壓器，并將變壓器屏蔽層外引線在單板內(nèi)接地，如圖所示。這時變壓器的有效絕緣耐壓變成了初級與屏蔽接地端間的絕緣耐壓值。采用共模隔離設(shè)計的另一個需要注意的問題是初級電路與單板上其它電路、地的印制線在單板上應(yīng)分離開，并有足夠的絕緣距離。一般，印制板上邊緣相距1mm的兩根印制走線，能耐受1.2/50us沖擊電壓4kV左右。網(wǎng)絡(luò)變壓器這個變壓器可不可以不接呢。從理論上來說，是可以不需要接變壓器，直接接到RJ45上，也是能正常工作的。但是呢，傳輸距離就很受限制，而且當(dāng)接到不同電平網(wǎng)口