浪涌抑制器件特性及選用

1、浪涌抑制器件特性及選用浪涌防護(hù)器件目前在防雷浪涌過壓的保護(hù)器件中主要有：防雷器、放電管、壓敏電阻和半導(dǎo)體浪涌保護(hù)器。在防雷器件的使用中按防護(hù)同流量能力的大小大致分為防雷器>氣體放電管>壓敏電阻>SAD（Surge Arrest Device），從價格上按相同容量的防浪涌器件，SAD的價格高于放電管，約是壓敏電阻的2倍，但SAD的響應(yīng)時間最快，同時漏電流也相對較小。以上四種防浪涌器件中，放電管和SAD都存在有動作后的續(xù)流問題，在應(yīng)用中應(yīng)加以考慮。壓敏電阻壓敏電阻的特性金屬氧化物壓敏電阻的V/I特性曲線相似于指數(shù)函數(shù)，可簡單表示為：，其中K為陶瓷常數(shù)，取決于壓敏電阻器的制作工藝材

2、料等，對于金屬氧化物壓敏電阻指數(shù)a可大于30，壓敏電阻的V/I特性如圖1：圖1 壓敏電阻的V/I特性壓敏電阻的等效電路如圖2，為電感、電容和電阻的串聯(lián)模式，圖2 壓敏電阻的等效電路其中L為引線電感量，C為電容器，Rig為中間相的電阻值，Rv為理想的壓敏電阻，Rb為ZnO的導(dǎo)通阻抗。壓敏電阻的工作電壓，指在規(guī)定的工作電壓時，導(dǎo)通電流較小，當(dāng)所加電壓為壓敏電壓的0.75倍時，壓敏電阻的漏電流為uA級別，可忽略不計。脈沖電流，一般指流通過壓敏電阻電流波形為8/20us波的瞬態(tài)最大脈沖電流。能量耐量，指壓敏電阻的能夠承受的最大的能量，其計算為：。壓敏電壓，指壓敏電阻流通過1mA的電流時，所需加在壓敏電

3、阻上的電壓。響應(yīng)時間，指壓敏電阻對浪涌的響應(yīng)速度，一般為皮秒到納秒級別，可和SAD防浪涌器件做比較。溫度系數(shù)，指溫度變化時壓敏電阻的V/I特性隨著變化，壓敏電阻呈負(fù)溫度特性，當(dāng)溫度升高時，壓敏電阻的動作電壓、脈沖電流、能量耐量和持續(xù)負(fù)荷都相應(yīng)的降低。壓敏電阻發(fā)生浪涌過電壓沖擊時，在壓敏電阻上測得的電壓峰值既為殘壓，殘壓于壓敏電壓的比值，稱為殘壓比，一般要求殘壓比小于3。在實際應(yīng)用中應(yīng)考慮到殘壓對保護(hù)元件的影響。過載特性，當(dāng)脈沖電流大于壓敏電阻的規(guī)定值時，可導(dǎo)致壓敏電阻受到永久性的損傷，此時壓敏電阻沒有損壞，但動作電壓點(diǎn)可能會發(fā)生偏移；當(dāng)輸入的脈沖能量遠(yuǎn)大于其規(guī)定值時，將發(fā)生通過陶瓷體的擊穿，在

4、極端的情況下壓敏電阻爆裂；當(dāng)流通過壓敏電阻過高的持續(xù)負(fù)荷時，將導(dǎo)致ZnO晶粒的融合，產(chǎn)生熱擊穿，壓敏電阻陶瓷體的觸點(diǎn)接通面可能因發(fā)熱導(dǎo)致脫焊。壓敏電阻的應(yīng)用及保護(hù)原理壓敏電阻可應(yīng)用在通訊、能源、交通、工業(yè)、民用等所有電子設(shè)備防浪涌場合。按不同的浪涌過電壓種類可分為，設(shè)備內(nèi)部過電壓，如電感負(fù)載的接通、飛狐、靜電充電等引起的設(shè)備內(nèi)部過電壓，可通過計算出最壞情況下的條件來選用壓敏電阻；外部過電壓，強(qiáng)的電磁場、電網(wǎng)波動、雷電影響等都可造成外部的過電壓。對于外部浪涌過電壓因其波形、振幅和頻繁度在大多數(shù)情況下是未知的或是很不明確的，這對需要保護(hù)的電路布置的參數(shù)設(shè)置選擇是相當(dāng)困難的。在對外部浪涌過壓防護(hù)元件

5、的選用上，可參考典型電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計算，但由于當(dāng)?shù)囟即嬖谟休^大的差異性，因此對于可靠的過電壓保護(hù)裝置，在選用上必須留有較大的余量參數(shù)。壓敏電阻的保護(hù)原理如圖3：圖3 壓敏電阻的保護(hù)原理圖3中Vb為正常工作電壓，Vs為浪涌電壓，Zsource為電纜的直流電阻，或一個線圈，或是一個傳輸線復(fù)合特性阻抗的有感電阻。當(dāng)浪涌到達(dá)時壓敏電阻動作，使其流通大電流，通過Zsource分壓，使大部分浪涌電壓落在Zsource上，起到保護(hù)后邊的電子設(shè)備的作用。壓敏電阻動作時的V/I特性和保護(hù)水平如圖4： 圖4 壓敏電阻的V/I特性和保護(hù)水平圖4中浪涌電壓為，通過壓敏電阻抑制后為，起到保護(hù)的作用。壓敏電阻的串聯(lián)使用，為

6、達(dá)到比較精確的工作電壓，一般采用同一系列不同工作電壓值的壓敏電阻可以串聯(lián)組合使用，串聯(lián)電路的最大工作電壓為每個壓敏電阻的最大工作電壓之和。壓敏電阻的并聯(lián)使用，為了提高能量的吸收能力，相同型號的壓敏電阻可以并聯(lián)使用。圖5為壓敏電壓為誤差上限和下限的兩個壓敏電阻的V/I特性近似值圖：圖5 壓敏電阻并聯(lián)使用的V/I特性由圖3看出，當(dāng)浪涌電流較小時兩個壓敏電阻的電流吸收存在有較大的差別，當(dāng)浪涌電流增大以后，每個壓敏電阻的電流吸收基本趨于一致。壓敏電壓差別較大的壓敏電阻并聯(lián)，其分配浪涌吸收電流的不一致性也加大。壓敏電阻除了自身的并聯(lián)和串聯(lián)使用外，還可以和放電管等其他防雷器件組合使用，起到優(yōu)化組合使用的目

7、的。壓敏電阻的選用壓敏電阻的選用主要有一下三個步驟：1， 適合的工作電壓的壓敏電阻。2， 考慮脈沖電流、能量耐量和持續(xù)容許負(fù)荷。3， 確定被選出的壓敏電阻在過電壓的情況下，最大可能的電壓上升和被保護(hù)的元件或是電流回路的耐電壓強(qiáng)度進(jìn)行比較。在工作電壓的確定上應(yīng)考慮到被保護(hù)元件的最大耐壓水平和壓敏電阻的使用壽命上，當(dāng)選用較低的工作電壓的壓敏電阻時，壓敏電阻漏電流較大，壽命短，選用工作電壓較高的壓敏電阻顯然是不合適的。在工作電壓的選取上應(yīng)同時考慮到電網(wǎng)源的正向波動情況。一般工作電壓確定為 。脈沖電流是最難確定的一個參數(shù)，因為在實際使用中的浪涌沖擊電流是很難確定的一個量，在脈沖電流的確定上可通過PsP

8、ice模擬和近似計算的方法得出，。壓敏電阻的脈沖電流應(yīng)和輸入保險相配合選用。由于浪涌產(chǎn)生壓敏電阻的能量損耗，在正常使用時的能量耐量應(yīng)小于規(guī)定最大值。在正常工作電壓下壓敏電阻的損耗為Po，由于此時漏電流較小，一般為幾微安，Po可忽略不計。持續(xù)負(fù)荷主要考慮重復(fù)的浪涌沖擊而產(chǎn)生的持續(xù)損耗。能量耐量和持續(xù)容許負(fù)荷都應(yīng)小于規(guī)定最大值，否則壓敏電阻易發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象。確定壓敏電阻的最大殘壓，一般壓敏電阻的殘壓比在1.53之間，和浪涌脈沖電流的大小有關(guān)系。由被保護(hù)的元件所能承受的最大耐壓確定壓敏電阻的殘壓。一般半導(dǎo)體器件對us級別的浪涌沖擊的耐受電壓都較高，壓敏電阻的選用時做相應(yīng)的考慮。壓敏電阻使用中的注意事

9、項1， 當(dāng)輸入的脈沖能量遠(yuǎn)大于其規(guī)定值時，將發(fā)生通過陶瓷體的擊穿，在極端的情況下壓敏電阻爆裂；當(dāng)流通過壓敏電阻過高的持續(xù)負(fù)荷時，將導(dǎo)致ZnO晶粒的融合，產(chǎn)生熱擊穿，壓敏電阻陶瓷體的觸點(diǎn)接通面可能因發(fā)熱導(dǎo)致脫焊，并引起壓敏電阻外層涂漆的起火。所以在壓敏電阻的應(yīng)用中應(yīng)考慮到爆裂及防火的意外因數(shù)，在結(jié)構(gòu)上做相應(yīng)的保護(hù)，防止壓敏電阻失效后故障進(jìn)一步擴(kuò)大。2， 壓敏電阻的管腳焊接應(yīng)盡量短，較小其寄生電感，提高響應(yīng)速度。3， 壓敏電阻在緩慢過壓損壞時，若電壓源的能量較小，將會導(dǎo)致壓敏電阻過熱擊穿，并引起明火，壓敏電阻應(yīng)和適合的保險絲相配合使用，當(dāng)壓敏電阻存在有擊穿后的續(xù)流時，保險絲應(yīng)起到保護(hù)的作用，防止故

10、障進(jìn)一步擴(kuò)大。對于不同直徑的圓片型壓敏電阻配合使用的保險容量如下表：結(jié)構(gòu)形式5mm7mm10mm14mm20mm安全額定電流(A)1361016放電管放電管的特性和分類放電管主要分為氣體放電管和半導(dǎo)體放電管，其中氣體放電管由燒結(jié)的材料不同分為玻璃氣體放電管和陶瓷氣體放電管，玻璃氣體放電管和陶瓷氣體放電管具有相同的特性。放電管動作后只需要很低的電壓即可維持其低阻狀態(tài)，所以放電管屬于開關(guān)型的SPD。當(dāng)正常工作時放電管上的漏電流可忽略不計；擊穿后的穩(wěn)定殘壓低，保護(hù)效果較好；耐流能力較大；在使用中應(yīng)注意放電管的續(xù)流作用遮斷，在適當(dāng)場合中應(yīng)有有效的續(xù)流遮斷裝置。氣體放電管氣體放電管：氣體放電管由封裝在小

11、玻璃管或陶瓷管中相隔一定距離的兩個電極組成，在玻璃管或是陶瓷管中充有惰性氣體；其電氣性能主要取決于氣體壓力，氣體種類，電極距離和電極材料；一般密封在放電管中的氣體為高純度的惰性氣體。放電管主要由：電極、陶瓷管(玻璃管)、導(dǎo)電帶、電子粉、Ag-Cu焊片和惰性氣體組成。在放電管的兩電極上施加電壓時，由于電場作用，管內(nèi)初始電子在電場作用下加速運(yùn)動，與氣體分子發(fā)生碰撞，一旦電子達(dá)到一定能量時，它與氣體分子碰撞時發(fā)生電離，即中性氣體分子分離成電子和陽離子，電離出來的電子與初始電子在行進(jìn)過程中還要不斷地再次與氣體分子碰撞發(fā)生電離，從而電子數(shù)按幾何級數(shù)增加，即發(fā)生電子雪崩現(xiàn)象，另外，電離出來的陽離子也在電場

12、作用下向陰極運(yùn)動，與陰極表面發(fā)生碰撞，產(chǎn)生二次電子，二次電子也參加電離作用，一旦滿足： r(ead-1)=1 時放電管由非自持放電過渡到自持放電，管內(nèi)氣體被擊穿，放電管放電，此時放電電壓稱為擊穿電壓Vs。放電管放電后，管子從絕緣態(tài)變?yōu)閷?dǎo)體，管內(nèi)產(chǎn)生電流，隨著電流的增加，放電管由輝光放電變?yōu)榛」夥烹?，而此時管壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Vs,而且其值不隨電流的變化而變化，此時放電管兩端只要保持很低的電壓即可維持其自持放電狀態(tài)，顯現(xiàn)一種穩(wěn)態(tài)，從而達(dá)到吸收過壓浪涌的作用。 半導(dǎo)體放電管半導(dǎo)體放電管和氣體放電管具有相同的外在特性和保護(hù)機(jī)理。半導(dǎo)體放電管由固態(tài)的四層可控硅結(jié)構(gòu)組成，半導(dǎo)體過壓保護(hù)的工

13、作原理為：浪涌電壓超過其轉(zhuǎn)折電壓VBO時放電管動作，起到旁路的作用，其中半導(dǎo)體放電管有一個返送裝置，就像一個可自動切換的開關(guān)，其電流-電壓(I-V)特性曲線如圖6中所示；圖6 半導(dǎo)體放電管工作原理圖中IPP(非重復(fù)峰值脈沖電流)：施加時不會損壞裝置的特定波幅和波形的峰值脈沖電流的額定最大值；IT (導(dǎo)通電流)：在導(dǎo)通條件下通過裝置的電流；VT (導(dǎo)通電壓)：在特定電流IT的導(dǎo)通條件下跨過裝置的電壓；IH (保持電流)：將裝置維持在導(dǎo)通狀態(tài)所需的最小電流IBO (轉(zhuǎn)折電流)：在轉(zhuǎn)折電壓VBO處的瞬態(tài)電流；VBO(轉(zhuǎn)折電壓)：當(dāng)浪涌電壓超過反向擊穿電壓VBR，即將返送時跨過裝置的最大電壓，此值是在

14、特定的電壓增長率和電流增長率下測量的；VD (閉態(tài)電壓)：裝置處在斷開狀態(tài)時兩端的DC電壓；ID (泄漏電流)：裝置處在斷開狀態(tài)時流過的極小的電流。半導(dǎo)體放電管返送裝置在電壓低于轉(zhuǎn)折電壓VBO時通常處于高阻狀態(tài)。在這個狀態(tài)之前，流過裝置的泄漏電流ID非常小，當(dāng)電壓超過VBO時，裝置立刻返送而進(jìn)入低阻狀態(tài)，此時，跨過裝置兩端的電壓為導(dǎo)通電壓 VT（約為5伏），流過裝置的電流為導(dǎo)通電流IT，放電管保持在低阻狀態(tài)，直至通過裝置的電流降至低于其保持電流IH。放電管的應(yīng)用放電管主要應(yīng)用在對電壓浪涌沖擊比較敏感的電子電路中，和保護(hù)電路并聯(lián)使用，當(dāng)有電壓浪涌發(fā)生時，放電管動作，放電管動作后的低阻起

15、到旁路和保護(hù)后級電子電路的作用，應(yīng)用電路圖如圖7。圖7 放電管應(yīng)用電路因放電管屬于開關(guān)型SPD，當(dāng)放電管動作以后只需要極低的電壓即可保持導(dǎo)通的狀態(tài)，存在有浪涌后的續(xù)流問題。所以在放電管在防浪涌應(yīng)用中須有可靠的續(xù)流遮斷器，保證浪涌過后電路正?；蚴亲詣踊謴?fù)正常工作。氣體放電管在浪涌保護(hù)應(yīng)用中大多和壓敏電阻串聯(lián)共同使用，起到響應(yīng)速度快，通流量大的作用，同時壓敏電阻起到浪涌過后的續(xù)流遮斷的作用。放電管在選用時候主要考慮到的參數(shù)有：放電管的動作電壓，放電管的最大承受8/20 us浪涌電流；還有就是元器件的安裝和尺寸。氣體放電管和半導(dǎo)體放電管在外在特性參數(shù)相同時可以直接互換使用。放電管使用中的注意事項1，

16、 放電管屬于開關(guān)型SPD，在防浪涌應(yīng)用中須有續(xù)流遮斷裝置，保證浪涌過后電路能正常工作。2， 當(dāng)瞬間通過較大的浪涌沖擊電流時，放電管會出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，在應(yīng)用中應(yīng)注意。瞬變電壓抑制二極管TVS管的特性瞬變電壓抑制二極管（Transient VoltageSuppression Diode，TVS）是一種特殊的二極管雪崩器件。其工作原理和齊納二極管類同，特性和符號和齊納二極管相同，所不同的是TVS具有更大面積的PN結(jié)，另外它的反向特性為典型的雪崩型，在雪崩時具有低動態(tài)阻抗和低箝位電壓，當(dāng)TVS的兩極收到反向瞬態(tài)浪涌電壓沖擊時，它能以1×109毫秒量級的速度將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，迅速?/p>

17、收高達(dá)數(shù)千瓦數(shù)量級的浪涌功率，使兩級間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路元器件免受各種形式的浪涌脈沖的損害。TVS管的工作原理TVS有單向和雙向之分，電力線Modem芯片上一般采用雙向TVS。雙向TVS的VI特性如圖8所示，TVS的電壓（電流）-時間特性如圖9：圖8 TVS電壓-電流特性圖9 TVS電壓（電流）-時間特性從圖8中可知，在瞬態(tài)峰值浪涌電流作用下，流過TVS的電流急劇地由原來的反向漏電流IR上升到VBR，其反向電壓IR上升至擊穿電壓值VBR，TVS被擊穿，最小擊穿電壓BR是TVS變成低阻抗的起始電壓，也就是TVS進(jìn)入雪崩的擊穿電壓。隨著峰值脈沖電壓的出現(xiàn)和增長，流過TVS的

18、電流達(dá)到最大反向峰值脈沖電流IP，其反向電壓上升至箝位電壓值VC，并保持在這一穩(wěn)定水平上。其后隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)。這就是TVS抑制浪涌，保護(hù)設(shè)備的全過程。圖9是TVS的電流-時間和電壓-時間曲線。在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP，同時在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的過程。TV

19、S的主要參數(shù)VWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當(dāng)這個反向電壓加于TVS的兩極間時它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。VBR是TVS最小的擊穿電壓。在25時，低于這個電壓TVS是不會發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR)時，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把VBR分為5和10兩種。對于5的VBR來說，VWM=0.85VBR；對于10的VBR來說，VWM=0.81VBR。最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當(dāng)持續(xù)時間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。

20、VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.21.4之間。電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使信號衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)為0.01。如果電

21、路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。TC是從零到最小擊穿電壓VBR的時間。對單極性TVS小于1×10-12s；對雙極性TVS小于10×10-12s。TVS管的選用TVS具有體積小，響應(yīng)速度快（小于1 ns），瞬態(tài)功率大，漏電流低，擊穿電壓小，每次經(jīng)受瞬變電壓和浪涌后其性能不會下降和可靠性高等特點(diǎn)。另外，TVS最大優(yōu)點(diǎn)是箝位系數(shù)小，箝位系數(shù)越小，防護(hù)瞬變電壓效果越好。TVS的缺點(diǎn)是耐電流量小，電容量大。目前已廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通訊設(shè)備、電源、計算機(jī)系統(tǒng)等各個領(lǐng)域。確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓，電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和最大可承受電壓。

22、TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。 TVS的最大反向箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。 在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功率PM必須大于被保護(hù)電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。對于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理；多線保護(hù)選用TVS陣列更為有利。溫度考慮瞬態(tài)電壓抑制器可以在55150之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度

23、下工作，由于其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大；功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降，從25到175，大約線性下降50；擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。TVS管在使用中應(yīng)注意的事項對瞬變電壓的吸收功率(峰值)與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。手冊給的只是特定脈寬下的吸收功率(峰值)，而實際線路中的脈沖寬度則變化莫測，事前要有估計。對寬脈沖應(yīng)降額使用。 對小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會影響線路的正常工作，但限流電阻對干擾所產(chǎn)生的電流卻會大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。 作為半導(dǎo)體器件的TVS管，要注意環(huán)境溫度升高時的降額使