一、關(guān)于雷擊浪涌防護(hù)簡(jiǎn)介

對(duì)于電磁兼容的整改，很多都會(huì)涉及系統(tǒng)瞬變干擾的影響的抗性，特別是對(duì)于雷擊浪涌這種破壞性能量的抑制，一般LC網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路對(duì)這種高速大能量干擾，很難起到抑制作用。最常用的方法是在系統(tǒng)的輸入端用并聯(lián)的方式接入瞬變干擾吸收電路，對(duì)超過系統(tǒng)可承受電壓的部分進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移泄放、或者能量平滑。常用于雷擊浪涌的吸收器件有：氣體放電管、壓敏電阻、電解電容、TVS管、TSS管、玻璃放電管。

往往由于防護(hù)的精度不同，可以使用不同規(guī)格不同類型的器件配合使用，甚至與LC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的EMI濾波器配合使用。典型應(yīng)用電路如下圖所示。

對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)合的產(chǎn)品，《GB/T 17626.5 電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》規(guī)定了不測(cè)試電壓等級(jí)、不同形狀的開路電壓及短路電流測(cè)試波形，對(duì)于連接到對(duì)稱通信線的端口，使用開路電壓波形為10/700μs(波前時(shí)間10μs，半峰時(shí)間700μs)的組合波發(fā)生器，對(duì)于其他情況，特別是連接到電源線和短距離信號(hào)互連線的端口，使用1.2/50μs的組合波發(fā)生器。發(fā)生器有效輸出阻抗設(shè)定為2×(1±10%)Ω。我們可以通過測(cè)試儀 器發(fā)生器的輸出電壓波形，跟對(duì)應(yīng)的“開路電壓峰值和短路電流峰值的關(guān)系”來稍微感受一下雷擊浪涌的能量大小。

先是1.2/50μs波形的圖：

然后是10/700μs波形的圖：

二、關(guān)于壓敏電阻

(下文討論對(duì)象為雙腳直插式的壓敏電阻，由于時(shí)間原因及知識(shí)所限并未提及其他規(guī)格封裝，見諒)

壓敏電阻(MOV)，全稱金屬氧化物壓敏電阻，是一種具有非線性伏安特性的電阻器件，同時(shí)也是雷擊浪涌抑制兩大類器件中“箝位型器件”的代表(另一類是“開關(guān)型器件”)。由于相應(yīng)速度快、吸收效果明顯，且價(jià)格便宜，經(jīng)常用于各種場(chǎng)合的浪涌雷擊吸收，常與氣體放電管、TVS管等配合使用。其抑制效果可以形象地用下圖表示：

1、壓敏電阻結(jié)構(gòu)

壓敏電阻中最常見封裝的是雙腳直插型的，如下圖所示。金屬氧化物壓敏電阻其組成以氧化鋅為主體，摻有少量鈷、錳、鉍等金屬的氧化物;外層由玻璃釉包裹，并從氧化物的兩側(cè)引出電極引腳。氧化鋅顆粒可以當(dāng)做是許多個(gè)PN結(jié)以串聯(lián)或并聯(lián)的形式排列在一起，所以其特性與兩只反接的硅穩(wěn)壓二極管近似。

由于其本身近似半導(dǎo)體的特點(diǎn)，兩端電壓在較低幅值時(shí)，阻抗近似無窮大;當(dāng)瞬變干擾超過一定電壓值時(shí)，導(dǎo)通阻抗瞬間下降，超過幅值的電壓被轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)大電流繼而變成熱量消耗，因此需要較大的表面積，方便器件散熱。基于上述結(jié)構(gòu)特征，可歸納出壓敏電阻相關(guān)特點(diǎn)：對(duì)瞬變騷擾吸收能力與體積正相關(guān)——A、厚度正比于箝位電壓;B、面積正比于耐流;C、體積正比于容量。

同時(shí)壓敏電阻本身有較大的寄生電容，因此難以吸收高頻、短脈窄的瞬變騷擾，決定了壓敏電阻對(duì)電瞬變的防護(hù)作用多用于浪涌雷擊，一般的壓敏電阻對(duì)于靜電等脈沖寬度極短的瞬變騷擾難以起到很好的抑制作用。

壓敏電阻的相應(yīng)速度為ns級(jí)，故引線電感對(duì)響應(yīng)速度的影響是不可忽略的，同時(shí)引線又會(huì)引入感應(yīng)電壓，對(duì)箝位效果有反作用。所以壓敏電阻的引腳越短越好，同時(shí)電路板上的走線盡量布短布寬(另外要保證加工過程不會(huì)因?yàn)閷?duì)引腳的操作不會(huì)對(duì)壓敏電阻結(jié)構(gòu)造成破壞，故又不能極盡短)。下圖是相關(guān)引腳長(zhǎng)度對(duì)箝位的影響：

2、特征參數(shù)

上文可知，壓敏電阻的工作過程是：將超過箝位范圍的那部分電壓轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)大電流，以此起到電壓箝位作用。故最主要的參數(shù)是壓敏電壓及對(duì)浪涌電流的吸收能力。常作為選型考慮的有下面一些參數(shù)：

1)壓敏電壓：包裝上標(biāo)識(shí)的電壓規(guī)格。恒流條件下測(cè)得的壓敏電阻兩端的壓降(測(cè)試條件：直徑5mm的管芯，測(cè)試電流100μA;管芯大于5mm，1mA)。

2)殘余電壓：壓敏電阻在通過規(guī)定波形(8/20μs)的浪涌電流時(shí)，其兩端測(cè)得電壓的峰值。

3)殘壓比：殘壓與壓敏電壓的比值，二者一般不相等，在進(jìn)行較低等級(jí)的浪涌電壓測(cè)試時(shí)，大約在1.3~2.2，殘壓比一般隨測(cè)試電壓的增大而增大。

4)通流容量：按規(guī)定時(shí)間間隔和次數(shù)，在壓敏電阻上施加規(guī)定波形(8/20μs)的浪涌電流，其壓敏電壓變化率保持在規(guī)定范圍內(nèi)所能通過的最大電流峰值。

5)最大連續(xù)電壓：允許長(zhǎng)期連續(xù)施加在壓敏電阻兩端的工作電壓有效值(或直流電壓值);簡(jiǎn)單來講就是不加浪涌時(shí)，電路正常工作的輸入電壓。保證在正常工作過程中能冷卻，不會(huì)熱擊穿。

舉個(gè)例子，之前用過的興勤TVR系列氧化鋅壓敏電阻器，其產(chǎn)品規(guī)格書中有如下標(biāo)識(shí)：

3、使用及失效

作為瞬變干擾抑制保護(hù)器件，壓敏電阻的選型既要保證接入電路可以對(duì)浪涌電壓進(jìn)行箝位，又要保證不能影響電路正常工作過程。綜合來講有幾個(gè)點(diǎn)：

1)電路正常工作電壓范圍在最大連續(xù)工作電壓范圍內(nèi)，并保留一定余量。

2)壓敏電阻的標(biāo)稱壓敏電壓與實(shí)際壓敏電壓有差別，最好選用標(biāo)稱壓敏電壓為直流電路設(shè)計(jì)額定值的1.8~2倍、交流電路設(shè)計(jì)額定值的2.2~2.5倍。

3)流通容量，即最大沖擊電流值的選取，可考慮兩個(gè)方面：使用場(chǎng)合，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)等級(jí)。前者可按“1kA(8/20μs，下同)的壓敏電阻可用于晶閘管整流器的保護(hù)，3kA可用于電器設(shè)備浪涌吸收，5kA或以上用于電子設(shè)備的雷擊保護(hù)”做大概選型。后者，由于常用綜合波發(fā)生器的內(nèi)阻為2Ω，可粗略地認(rèn)為測(cè)試等級(jí)為2kV時(shí)，保護(hù)電路需吸收的最大電流為1kA，4kV時(shí)為2kA。此外，由于吸收同樣大小的浪涌電流時(shí)，流通能力更大的壓敏電阻殘壓更小，故設(shè)計(jì)時(shí)也要保證一定的裕量。

4)由于其本身固有的寄生電容，故不能在高頻下工作。

5)部分使用問題，如焊接溫度等，查閱使用的壓敏電阻對(duì)應(yīng)的規(guī)格書;規(guī)格大小按照設(shè)計(jì)電路的大小及保護(hù)規(guī)格決定，如設(shè)備耐壓水平Vo較低，而浪涌能量又比較大，則可選擇壓敏電壓低、片徑較大的MOV;如果Vo較高，則可選擇壓敏電壓較高的壓敏電阻器。

失效形式一般有幾種：

1)熱擊穿：因壓敏電阻的荷電率太高、吸收脈沖能量過大、內(nèi)部吸收不均勻等原因，造成局部或整體發(fā)熱大于散熱，引起熱崩潰而擊穿。

2)閃絡(luò)：外部是假的瞬態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度過高或外部絕緣層太差，導(dǎo)致強(qiáng)電場(chǎng)作用下，沿元器件側(cè)表發(fā)生發(fā)電。

3)開裂：吸收能量過大時(shí)，熱應(yīng)力作用導(dǎo)致開裂(或?qū)е露搪贰㈤_路)。

4)炸裂著火：元件吸收超大的脈沖能量時(shí)，電流過大，過大的熱應(yīng)力使得元器件炸裂。元件內(nèi)部雜質(zhì)、氣孔過多時(shí)也會(huì)有此問題。

4、應(yīng)用電路：

1)單只使用：用于吸收線與線之間的浪涌。

2)與氣體放電管配合使用：由于壓敏電阻本身較大的寄生電容，導(dǎo)致它有較大的漏電流，而氣體放電管漏電流很小，使得系統(tǒng)幾乎沒有漏電流。同時(shí)配合氣體放電管的使用可以承受更大等級(jí)的沖擊電流。

3)串并聯(lián)使用：

串聯(lián)：將兩只電阻體直徑相同(通流量相同)的壓敏電阻串聯(lián)后，漆壓敏電壓、持續(xù)工作電壓和限制電壓相加，而通流量指標(biāo)不變。

并聯(lián)：目的是獲得更大的通流量，或者在沖擊電流峰值一定的條件下減小電阻體中的電流密度，以降低限制電壓。一般并聯(lián)的兩只壓敏電阻規(guī)格一致，保證電流在各電阻片之間均勻分配。

4)與TVS管等配合使用：進(jìn)行更高精度的電壓箝位。

原文標(biāo)題：瞬變干擾吸收器件講解(一)——壓敏電阻[20220315]

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審核編輯：湯梓紅