防護電路中的元器件

隨著社會的不斷進步，物聯網的發(fā)展，電子產品的室外應用場景，持續(xù)高增長，電子產品得到了極其廣泛的應用，無論是公共事業(yè)，還是商用或者民用， 已經深入到各個領域，這也造成了產品功能的多樣化、應用環(huán)境的復雜化。隨著產品功能越來越多，其功能接口也越來越豐富，比如：網絡接口(帶POE功能)、 模擬視頻接口、音頻接口、報警接口、RS485接口、RS232接口等等。功能在不斷地增多，但是對于產品的體積要求越來越小，在增加設計難度的同時也會 使產品面臨著更多的威脅，比如雨季隨著雷電的增多，產品批量的損壞;冬季設備安裝調試時，由于靜電造成設備的功能異常等等。本文著重介紹常用防護器件在產 品中的基本應用，通過防護電路來提高產品抗靜電、抗浪涌干擾的能力，從而提高產品的穩(wěn)定性。

通信產品在應用的過程中，由于雷擊等原因形成的過電壓和過電流會對設備端口造成損害，因此應當設計相應的防護電路，各個端口根據其產品族類、網絡地位、目標市場、應用環(huán)境、信號類型以及實現成本等多種因素的不同所對應的防護電路也不同。

1、氣體放電管

圖1 氣體放電管的原理圖符號

氣體放電管是一種開關型保護器件，工作原理是氣體放電。當兩極間電壓足夠大時，極間間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉化為導電狀態(tài)，類似短路。導電狀態(tài)下兩極間維持的電壓很低，一般在20～50V，因此可以起到保護后級電路的效果。氣體放電管的主要指標有：響應時間、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。

氣體放電管的響應時間可以達到數百ns以至數ms，在保護器件中是最慢的。當線纜上的雷擊過電壓使防雷器中的氣體放電管擊穿短路時，初始的擊穿電壓基本為氣體放電管的沖擊擊穿電壓，放電管擊穿導通后兩極間維持電壓下降到20～50V;另一方面，氣體放電管的通流量比壓敏電阻和TVS管要大，氣體放電管與TVS等保護器件合用時應使大部分的過電流通過氣體放電管泄放，因此氣體放電管一般用于防護電路的最前級，其后級的防護電路由壓敏電阻或TVS管組成，這兩種器件的響應時間很快，對后級電路的保護效果更好。氣體放電管的絕緣電阻非常高，可以達到千兆歐姆的量級。極間電容的值非常小，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成什么影響。

氣體放電管的續(xù)流遮斷是設計電路需要重點考慮的一個問題。如前所述，氣體放電管在導電狀態(tài)下續(xù)流維持電壓一般在20～50V，在直流電源電路中應用時，如果兩線間電壓超過15V，不可以在兩線間直接應用放電管。在50Hz交流電源電路中使用時，雖然交流電壓有過零點，可以實現氣體放電管的續(xù)流遮斷，但氣體放電管類的器件在經過多次導電擊穿后，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，當用電設備采用單相供電且無法保證實際應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。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。

防雷電路的設計中，應注重氣體放電管的直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量等參數值的選取。設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不能動作，則它的直流放電電壓應滿足：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。

氣體放電管主要可應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情況下為開路，因電路設計原因或其它因素導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成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題。

2、壓敏電阻

圖2 壓敏電阻的原理圖符號

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性，當過電壓出現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，從而實現對后級電路的保護。壓敏電阻的主要參數有：壓敏電壓、通流容量、結電容、響應時間等。

壓敏電阻的響應時間為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速度可以滿足要求。壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千pF的數量級范圍，很多情況下不宜直接應用在高頻信號線路的保護中，應用在交流電路的保護中時，因為其結電容較大會增加漏電流，在設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))、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流回路中，應當有：min(U1mA) ≥(1.8～2)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應當有：min(U1mA) ≥(2.2～2.5)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用時，有適當的安全裕度。在信號回路中時，應當有：min(U1mA)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應根據防雷電路的設計指標來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設計的通流容量。

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。因此由壓敏電阻構成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題。

3 電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管(TVS)

圖3 TVS管原理圖

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對后級電路的保護。TVS管的主要參數有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結電容、響應時間等。

TVS的響應時間可以達到ps級，是限壓型浪涌保護器件中最快的。用于電子電路的過電壓保護時其響應速度都可滿足要求。TVS管的結電容根據制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結電容型TVS一般在幾百～幾千pF的數量級，低結電容型TVS的結電容一般在幾pF～幾十pF的數量級。一般分立式TVS的結電容都較高，表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號線路的保護中，應主要選用低結電容的TVS管。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當通過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。在很多需要精細保護的電子電路中，應用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。

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、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流回路中，應當有：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，式中UBR為直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是直流回路中的電壓峰值。

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。

4 電壓開關型瞬態(tài)抑制二極管(TSS)

圖4 TSS管的原理圖符號

電壓開關型瞬態(tài)抑制二極管(TSS，Thyristor SurgeSuppressor)與TVS管相同，也是利用半導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TSS管兩端的過電壓超過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恢復開路狀態(tài)。

TSS是電壓開關型瞬態(tài)抑制二極管，就是涌抑制晶體管，或者叫做導體放電管，固體放電管等等。LangTuo等牌子。 TSS管是利用半導體工藝制成的保護器件，主要用于信號電路的防雷保護。不能用在電源端口。 TSS器件的通流容量一般最高可達到150A(8/20uS)。

TSS管和TVS管都是利用半導體工藝制成的限壓保護器件，TSS管是電壓開關型的。TVS是電壓鉗位型的。TSS管在響應時間，結電容方面與TVS管是相同特點，易于制成表貼器件，很適合在單板上使用。TSS管適合于信號電平較高的信號電路保護。

TSS管在響應時間、結電容方面具有與TVS管相同的特點。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，這時二極管的結壓降小，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管在過電壓作用下擊穿后，當流過TSS管的電流值下降到臨界值以下后，TSS管才恢復開路狀態(tài)，因此TSS管在信號線路中使用時，信號線路的常態(tài)電流應小于TSS管的臨界恢復電流。臨界恢復電流值隨TSS管的型號和設計應用場合的不同而不同，使用時應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))、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在信號回路中時，應當有：min(UBR)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。

TSS管較多應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。

5 、正溫度系數熱敏電阻(PTC)

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