隨著電子設(shè)備的激增和用戶安全法規(guī)的演變，設(shè)計(jì)人員一直在尋找各種方法來加強(qiáng)設(shè)備保護(hù)，同時(shí)又要最大限度地減少成本和電路板空間。問題是，電路保護(hù)很像保險(xiǎn)：在需要它之前，可能看起來是不必要的開支。但確實(shí)需要這種保護(hù)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)暫時(shí)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(hù)方案適用于所有的故障和情況。例如，在實(shí)施過壓保護(hù) (OVP) 時(shí)，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(shí)事件。然而，GDT 會(huì)因?yàn)椤熬S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(dá)到危險(xiǎn)的高溫。以混合方式將兩種元件串聯(lián)在一起，可以彌補(bǔ)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(jì)方面取得進(jìn)展，以消除這種危害。
本文介紹了 OVP 保護(hù)的重要性及其各種實(shí)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(shí)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(shí)例器件，描述了它們的突出特點(diǎn)，并說明如何進(jìn)行選型和使用，以實(shí)現(xiàn)有效的、低成本的保護(hù)。
保護(hù)有多個(gè)角度
對于電路和系統(tǒng)保護(hù)，沒有“萬全之策”。這有兩個(gè)原因：第一，有許多故障類型和情形需要保護(hù)；第二，故障條件的大小和持續(xù)時(shí)間決定了所需保護(hù)的類型和堅(jiān)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(gè)部分由于連接錯(cuò)誤而承受過高的電壓。
過熱，由于設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)導(dǎo)致用戶觸電。
用于浪涌保護(hù)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(shí)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(hù)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(shí)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(hù)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(dá)電路（圖 1）。當(dāng)過壓情況發(fā)生時(shí)，撬棍裝置被觸發(fā)進(jìn)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(shí)，他們會(huì)將一個(gè)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(hù)功能觸發(fā)時(shí)，它會(huì)成為其所保護(hù)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(shí)它會(huì)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(shí)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(dá)到箝位裝置額定的限制水平時(shí)，它會(huì)箝制住電壓，直到故障熄滅，這時(shí)線路將恢復(fù)到正常運(yùn)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(gè)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(shí)，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(gè)安全、理想的值。這種電流雖然很小，但會(huì)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(hù)，這個(gè)問題將在下文進(jìn)一步討論。其額定值必須是其在特定時(shí)間內(nèi)必須耗散的功率，這通常是一個(gè)相對較短的瞬態(tài)事件。
實(shí)現(xiàn) OVP 功能
由于撬棍和箝位裝置是重要的保護(hù)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(xiǎn)絲一樣，是經(jīng)典的過流保護(hù)元件，經(jīng)常用作額外的保護(hù)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(jì)和構(gòu)造，位于一個(gè)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(gè)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(jì)電壓時(shí)，氣體會(huì)電離，管子會(huì)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(shí)使線路短路，直到故障熄滅。
圖 3：GDT 是一個(gè)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(jì)值時(shí)才會(huì)導(dǎo)通；在此之前，它看起來像一個(gè)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(gè)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(dá)數(shù)千伏。GDT 有一個(gè)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(dòng)。
箝位裝置：兩個(gè)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(jī)、通信線路和傳感電路的大電流保護(hù)（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(gè)覆蓋廣泛設(shè)計(jì)范圍的箝位電壓。（圖片來源：Bourns Inc.）
MOV 通常會(huì)傳導(dǎo)少量的漏電電流，即使應(yīng)用的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)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(huì)帶來電擊危險(xiǎn)。
此外，如果泄電電流足夠大，MOV 內(nèi)部會(huì)自發(fā)熱。當(dāng) MOV 連續(xù)連接在交流電源上時(shí)，這種自熱會(huì)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(huì)導(dǎo)致泄電電流越大。隨后的激增會(huì)進(jìn)一步加速這一循環(huán)。
在某些時(shí)候，MOV 將進(jìn)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(diǎn)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(gè)更好的 OVP 解決方案
為了提供一個(gè)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(jì)人員經(jīng)常采用雙組件結(jié)構(gòu)。這種混合方法將兩個(gè)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(shí)間曲線見圖 6。
圖 5：串聯(lián) GDT 和 MOV 的混合方法提供了一個(gè)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(shí)間響應(yīng)顯示了每個(gè)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(gè)器件補(bǔ)償另一個(gè)器件可能缺點(diǎn)。然而，這種方法也有成本。
另一個(gè)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。
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(shí)增加了另一個(gè)強(qiáng)制和約束，需要考慮到電路板布局。
為了幫助設(shè)計(jì)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(hù)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(gè)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(gè)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(huì)發(fā)現(xiàn)，它不僅僅是一個(gè)簡單的將 MOV 和 GDT 共同包裝在一個(gè)共用外殼中（圖 8）。
圖 8：IsoMOV 的物理結(jié)構(gòu)是一個(gè)完全不同的混合功能的實(shí)現(xiàn)，而非兩個(gè)單獨(dú)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(jìn)行環(huán)氧樹脂涂覆。其結(jié)果是一個(gè)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（圖 9）。此外，由于采用了金屬氧化物專利技術(shù)設(shè)計(jì)，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。
圖 9：徑向引線式圓盤封裝 IsoMOV 看起來像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 MOV，只是直徑更小，且額定電流比單獨(dú)的同等 MOV 更高。（圖片來源：Bourns Inc.）
IsoMOV 不僅僅做到了“兩全其美”，而且還有其他設(shè)計(jì)優(yōu)勢。MOV 故障有一個(gè)特征，通常在金屬化區(qū)域的邊緣會(huì)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(jì)了獨(dú)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(gè)實(shí)際 IsoMOV 型號，以獲得更詳細(xì)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(shí)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(jì)工程師必須實(shí)施各種形式的浪涌或其它保護(hù)，原因很多，從審慎的設(shè)計(jì)實(shí)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(gè)和三個(gè)孔的版本。理論上，三線制版本提供了一個(gè)安全地線，但在實(shí)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(shí)，缺乏真正接地的安全地線連接會(huì)導(dǎo)致潛在的危險(xiǎn)狀況。在這種情況下，有必要在設(shè)計(jì)中加入保護(hù)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(shí)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(xiǎn)。
防止 MOV 漏電電流變得這樣危險(xiǎn)的最常見解決方案是將至少一個(gè) GDT 與 MOV 串聯(lián)（圖 10）。通過使用 IsoMOV 器件，一個(gè)封裝同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 MOV 和 GDT 功能，從而節(jié)省了板空間。因此，IsoMOV 也是一個(gè)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 10：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(xiǎn)，可以將兩個(gè)器件（一個(gè) MOV 和一個(gè) 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 11：使用獨(dú)立 MOV 和 GDT 的替代方案是使用單個(gè) IsoMOV 器件，從而獲得相同或更好的性能，并實(shí)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(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)時(shí)，撬棍裝置更適合于長期故障，而箝位裝置則更適合于瞬時(shí)事件。但是使用這兩個(gè)裝置都會(huì)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(dú) MOV 實(shí)現(xiàn)了更長的運(yùn)行壽命，但沒有 GDT 的后續(xù)電流問題。這些器件同時(shí)提供浪涌和過壓保護(hù)，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(hù)低壓、高速電路。
