三大常見電路保護(hù)器件詳解

電路保護(hù)主要有兩種形式：過壓保護(hù)和過流保護(hù)。選擇適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)器件是實(shí)現(xiàn)高效、可靠電路保護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，涉及到電路保護(hù)器件的選型，我們就必須要知道各電路保護(hù)器件的作用。在選擇電路保護(hù)器件的時(shí)候我們要知道保護(hù)電路不應(yīng)干擾受保護(hù)電路的正常行為，此外，其還必須防止任何電壓瞬態(tài)造成整個(gè)系統(tǒng)的重復(fù)性或非重復(fù)性的不穩(wěn)定行為。

電路保護(hù)最常見的器件有三：GDT、MOV和TVS

GDT陶瓷氣體放電管在正常的工作條件下，一只GDT的并聯(lián)阻抗約為1TΩ，并聯(lián)電容為1pF以下。當(dāng)施加在GDT兩端的電勢低于氣體電離電壓(即“輝光”電壓)時(shí)，GDT的小漏電流(典型值小于1pA)和小電容幾乎不發(fā)生變化。一旦GDT達(dá)到輝光電壓，其并聯(lián)阻抗將急劇下降，從而電流流過氣體。不斷增加的電流使大量氣體形成等離子體，等離子體又使該器件上的電壓進(jìn)一步降低至15V左右。當(dāng)瞬變源不再繼續(xù)提供等離子電流時(shí)，等離子體就自動(dòng)消失。GDT的凈效果是一種消弧作用，它能在1ms內(nèi)將瞬變事件期間的電壓限制在大約15V以下。GDT的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是迫使大部分能量消耗在瞬變的源阻抗中，而不是消耗在保護(hù)器件或被保護(hù)的電路中。GDT的觸發(fā)電壓由信號電壓的上升速率(dV/dt)、GDT的電極間隔、氣體類型以及氣體壓力共同確定。該器件可以承受高達(dá)20 kA的電流。

GDT有單極和三極兩種形式。三極GDT是一個(gè)看似簡單的器件，能在大難臨頭的關(guān)鍵時(shí)刻保持一個(gè)差分線對的平衡：少許的不對稱可以使瞬變脈沖優(yōu)先耦合到平衡饋線的某一側(cè)，因而產(chǎn)生一個(gè)巨大的差分信號。即使瞬變事件對稱地發(fā)生在平衡饋線上，兩個(gè)保護(hù)器件響應(yīng)特性的微小差別也會(huì)使一個(gè)破壞性的脈沖振幅出現(xiàn)在系統(tǒng)的輸入端上。三極GDT在一個(gè)具有共用氣體容積的管內(nèi)提供一個(gè)差分器件和兩個(gè)并聯(lián)器件。造成一對電極導(dǎo)通的任何條件都會(huì)使所有三個(gè)電極之間導(dǎo)通，因?yàn)闅怏w的狀態(tài)(絕緣狀態(tài)、電離狀態(tài)或等離子狀態(tài))決定了放電管的行為。

MOV壓敏電阻

它是一種是隨電壓而變化的非線性電阻器。燒結(jié)的金屬氧化物形成一種猶如兩個(gè)背對背串接的齊納二極管的結(jié)構(gòu)。在正常工作情況下，MOV的典型漏電流為10mA量級，并聯(lián)電容約為45pF。電壓升高到超過MOV閾值，就會(huì)使其中一個(gè)分布式齊納二極管產(chǎn)生雪崩，因而使該器件對被保護(hù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行箝位。不斷增加的電流最終使器件兩端的電壓上升——這是大多數(shù)批量材料都有的一個(gè)限制因素。

作為一種箝位器件，MOV能大量吸引瞬變能量，而氣體放電管則將瞬變能量耗散在瞬變源阻抗以及瞬變源與被保護(hù)節(jié)點(diǎn)之間的電阻中。在容許MOV的漏電和并聯(lián)電容的應(yīng)用場合(如電源、POTS和工業(yè)傳感器)，MOV可配合GDT，對閃電引起的瞬變進(jìn)行良好的二次防護(hù)，因?yàn)镸OV的觸發(fā)速度要比氣體等離子體避雷器快一個(gè)數(shù)量級。反復(fù)出現(xiàn)的過熱應(yīng)力的累積會(huì)使MOV過熱，降低其性能。因此，務(wù)必仔細(xì)分析你打算支持的瞬變規(guī)范，確定你要求MOV吸收的總能量和最壞情況下的瞬變重復(fù)率，保守地制定器件的規(guī)格。

TVS瞬變電壓抑制器

一個(gè)TVS的并聯(lián)電容通常只有幾十皮法，但有些新的TVS的并聯(lián)電容增加了不到10pF。電壓最低的TVS，其漏電流往往為100mA以上，而工作電壓為12V以上的TVS，其漏電流則為5mA以下。

當(dāng)前TVS的發(fā)展趨勢是提高集成度，支持高密度便攜設(shè)備。在芯片尺寸封裝中包含多個(gè)器件，使節(jié)點(diǎn)間隙更好地匹配被保護(hù)的IC或接口連接器。集成的TVS與EMI濾波器可在一個(gè)封裝內(nèi)完成兩個(gè)關(guān)鍵任務(wù)，并可簡化通過I/O口布放總線的工作。多個(gè)TVS封裝因其小巧而成為高密度組件中最常見的保護(hù)器件。

GDT/MOV/TVS的比較

壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)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(hù)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(hù)中，應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時(shí)，因?yàn)槠浣Y(jié)電容較大會(huì)增加漏電流，在設(shè)計(jì)防護(hù)電路時(shí)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。具體可分為以下四點(diǎn)：

在反應(yīng)時(shí)間上，壓敏電阻介于TVS管和氣體放電管之間，TVS管為皮秒級，壓敏電阻略慢，為納秒級;而氣體放電管最慢，通常為幾十個(gè)納秒甚至更多。

在通流容量上，壓敏電同樣介于TVS管和氣體放電管之間，TVS管通常只有幾百A;而壓敏電阻按不同規(guī)格，可通過數(shù)KA到數(shù)十KA的單次8/20μS浪涌電流;而對于氣體放電管來說通常10KA級別8/20μS浪涌電流可導(dǎo)通數(shù)百次。

從原理上看，TVS管基于二極管雪崩效應(yīng);壓敏電阻器基于氧化鋅晶粒間的勢壘作用;而氣體放電管則是基于氣體擊穿放電。

在電壓范圍方面，TVS管通常為5.5V到550V;壓敏電阻的范圍較寬，可從10V到9000V;而氣體放電管可從75V到3500V。

這三種器件各有各的絕技，如何選擇，就看你想要防止的損害是什么了，而且在具體的防護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)，并沒有規(guī)定說只能選擇一種防護(hù)器件。FAE工程師完全可以根據(jù)實(shí)際的防護(hù)應(yīng)用，將這三大主力電路保護(hù)器件組合使用，相信其迭加的防護(hù)能力一定優(yōu)于單獨(dú)使用的防護(hù)等級。小碩來舉個(gè)例子：在電源系統(tǒng)的防雷保護(hù)電路中，采用壓敏電阻與陶瓷氣體放電管配合使用的方案很多，特別是在鐵路、通信系統(tǒng)已被廣泛使用。壓敏電阻與陶瓷氣體放電管配合使用的保護(hù)電路盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，例如：降低殘壓、控制壓敏電阻的劣化等，但在使用過程中如果電路設(shè)計(jì)或元件選型存在問題，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)電路出現(xiàn)燃燒、爆炸等故障，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此在選型環(huán)節(jié)，工程師一定要進(jìn)行多次模擬測試，從而實(shí)現(xiàn)防護(hù)方案的可靠性和實(shí)用性。