【導讀】浪涌電壓抑制器是電路過壓保護的一種重要設計，本文將對浪涌電壓抑制器的設計原理與應用進行分析介紹。
１ 設計原則
對于家居信息系統(tǒng)的保護除了做好常規(guī)的防雷設施和處理好接地問題外，還應在信息家電的電源端加裝相應的過電壓保護裝置，以消除電網(wǎng)浪涌、雷電感應電壓、設備切換等意外事件對信息家電設備的沖擊和毀壞。要求進入信息家電內(nèi)的電源線、信號線應通過防雷、防過壓處理，并將設備外殼、室內(nèi)的金屬門、窗、管道等進行等電位處理。
信息家電設備雷電過電壓及電磁干擾防護是保護通信線路、設備及人身安全的重要技術(shù)手段和確保通信線路、設備運行不受干擾必不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)。信息網(wǎng)絡過電壓保護必須運用電磁兼容原理將計算機網(wǎng)絡局部的防護歸結(jié)到整體的雷電過電壓保護。
網(wǎng)絡設備所處的建筑物作為一個欲保護的空間區(qū)域，從電磁兼容的角度出發(fā)，可由外到內(nèi)分為幾個雷電保護區(qū)，現(xiàn)已規(guī)定出各部分空間不同的雷電磁脈沖（ＬＥＭＰ）的嚴重程度。
根據(jù)雷電保護區(qū)的劃分要求，建筑物外部是直擊雷區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)的設備最容易遭受損害，危險性最高，是暴露區(qū)，為０區(qū)；建筑物內(nèi)部所處的位置為非暴露區(qū)可將其分為１區(qū)、２區(qū)，越往內(nèi)部，危險程度越低，雷電過電壓對內(nèi)部電子設備的損害主要是沿線路引入。保護區(qū)的界面通過外部的防雷系統(tǒng)、建筑物的鋼筋混凝土及金屬外殼等構(gòu)成屏蔽層。電氣通道以及金屬管則必須通過這些界面，穿過各級雷電保護區(qū)的金屬構(gòu)件在每一穿過點做等電位聯(lián)結(jié)。
２ 浪涌電壓抑制器件
浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類。第一種類為橇棒（Ｃｒｏｗ Ｂａｒ）器件，其主要特點是器件擊穿后的殘壓很低，因此不僅有利于浪涌電壓的迅速泄放，而且使功耗大大降低。另外，該類型器件的漏電流小，器件極間電容量小，所以對線路影響很小。常用的撬棒器件包括氣體放電管、氣隙型浪涌保護器、硅雙向?qū)ΨQ開關(guān)（ＣＳＳＰＤ）等。
另一類為箝位保護器，即保護器件在擊穿后，其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升，以箝位的方式起到保護作用。常用的箝位保護器是氧化鋅壓敏電阻ＭＯＶ ，瞬態(tài)電壓抑制器（ＴＶＳ）等。
保護器分過電壓保護元件和過電流保護元件。我們通常所稱的“避雷器”和隨著國外防雷器件引入的“浪涌抑制器”、“過電壓限制器”、放電管、齊納二極管等都屬于電壓限制元件。它們的工作原理差不多，但它們之間的通流容量、動作速度、殘壓等有很大差別。而正溫度系數(shù)ＰＴＣ、電感、電阻、保險絲則屬于過電流保護元件。
二極管型防護器件包括開關(guān)二極管、齊納二極管、瞬態(tài)二極管等。它們的保護性能大致相同，在承受沖擊能力和限制電壓等級方面稍有不同。正常情況下，管子呈高阻，當外加電壓達到其門限值時，電流迅速增加。它是響應速度非常快的保護元件，限幅電壓低，管子兩端壓降基本不受沖擊電壓和沖擊電流的影響，保護精密設備中半導體電路非它莫屬。近年來正在發(fā)展的瞬態(tài)二極管，在通流能力方面有了較大的突破，可用在第二級甚至第一級保護。
二極管型防護器件是利用硅ＰＮ結(jié)正向壓降（ＶＦ）和反向雪崩擊穿電壓（ＶＺ）的特性制成的，如瞬變電壓抑制二極管（ＴＶＳ）。二極管型防護器件有兩種形式：一是齊納型單向雪崩擊穿，二是雙向的硅壓敏電阻。ＴＶＳ器件在規(guī)定的反向應用條件下，承受到高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低以允許大電流通過，并將電壓箝制在預定水平，從而有效地保護電子產(chǎn)品中的精密元器件免受損壞。雙向ＴＶＳ可在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率，并把電壓箝制在預定水平，雙向ＴＶＳ適用于交流電路。ＴＶＳ的最大優(yōu)點是箝位系數(shù)小，所謂箝位系數(shù)就是指ＴＶＳ上流過的電流在最大時的端電壓與流過的電流為最小時的端電壓的比值，箝位系數(shù)越小，抑制瞬變電壓的效果越好。ＴＶＳ器件的其它優(yōu)點是體積小、響應速度快（小于１ｎｓ）、可靠性高、每次經(jīng)受瞬變電壓后其性能不會下降等。缺點是電容大、耐電流量小。現(xiàn)在，國外ＴＶＳ器件已經(jīng)采用氣密性附殼封裝，外形為ＤＯ－４１，而一般的民用器件則采用有引線或無引線的塑封形式，典型的有美國ＧｅｎｅｒａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司生產(chǎn)４００Ｗ、６００Ｗ、１５００Ｗ無引線扁平塑封，其４００Ｗ的工作電壓為５．５～１６２Ｖ，型號為ＴＳＭＡ６．８～ＴＳＭＡ２００，外形為ＳＭＡ／Ｄ０２１４ＡＣ；６００Ｗ的工作電壓為５．５～１６２Ｖ，型號為ＴＳＭＢ６．８～ＴＳＭＢ２００，外形為ＳＭＢ／Ｄ０２１４ＡＡ；１５００Ｗ工作電壓５．５～１６２Ｖ，型號為ＴＳＭＣ６．８～ＴＳＭＣ２００，外形為ＳＭＣ／Ｄ０２１４ＡＢ。該公司也生產(chǎn)無引線圓柱形產(chǎn)品，型號為ＴＧＬ４１－６．８～ＴＧＬ４１－２００，外形為ＭＥＬＦＧＬ４１。該公司還生產(chǎn)５０００Ｗ的ＴＶＳ，其工作電壓為５．０～１１０Ｖ，型號為５ＫＰ５．０～５ＫＰ１１０，外形為Ｐ６００。ＴＶＳ的另一發(fā)展方向是開發(fā)低電壓產(chǎn)品，目前正在開發(fā)的產(chǎn)品電壓范圍為２．８～３．８Ｖ，以滿足低壓微處理器和ＩＣ的需要。
３ 硅瞬變吸收二極管
硅瞬變吸收二極管的工作有點象普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件，其應用是與被保護設備并聯(lián)使用。硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應速度（亞納秒級）、相當高的浪涌吸收能力和極多的電壓檔次。能保護設備或電路免受靜電、電感性負載切換時產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應雷所產(chǎn)生的過電壓。
ＴＶＳ管有單方向（單個二極管）和雙方向（兩個背對背連接的二極管）兩種，它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中，ＴＶＳ管的擊穿電壓要比被保護電路工作電壓高１０％左右，以防止因線路工作電壓接近ＴＶＳ擊穿電壓，使ＴＶＳ漏電流影響電路正常工作；也避免因環(huán)境溫度變化導致的ＴＶＳ管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。ＴＶＳ管有多種封裝形式，如，軸向引線產(chǎn)品可用在電源饋線上，雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、Ｉ／Ｏ總線及數(shù)據(jù)總線的保護。
３．１ ＴＶＳ的特性
ＴＶＳ的電路符號和普通的穩(wěn)壓管相同。其電壓－電流特性曲線如圖１所示。其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的ＰＮ結(jié)雪崩器件。圖２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的電流將達到峰值脈沖電流ＩＰＰ，同時在其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓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，最后恢復到初態(tài)，這就是ＴＶＳ抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的過程。當ＴＶＳ兩極受到反向高能量沖擊時，它能以１０～１２Ｓ級的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預定值，有效地保護電子設備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。ＴＶＳ具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點，目前已廣泛應用于家用電器、電子儀表、通訊設備、電源、計算機系統(tǒng)等各個領域。
３．２ ＴＶＳ的主要參數(shù)
（１）最大反向漏電流ＩＤ和額定反向關(guān)斷電壓ＶＷＭ。ＶＷＭ是ＴＶＳ最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當這個反向電壓加于ＴＶＳ的兩極間時它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它的電流應小于或等于其最大反向漏電流ＩＤ；
（２）最小擊穿電壓ＶＢＲ和擊穿電流ＩＲ。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與標準值的離散程度，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；
（３）最大箝位電壓ＶＣ和最大峰值脈沖電流ＩＰＰ。當持續(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。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１．２～１．４之間；
（４）電容量Ｃ。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)；
（５）最大峰值脈沖功耗ＰＭ。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)脈沖是不重復的，器件規(guī)定的脈沖重復頻率（持續(xù)時間與間歇時間之比）為０．０１％。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復性脈沖，應考慮脈沖功率的累積，有可能損壞ＴＶＳ；
（６）箝位時間ＴＣ。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。
３．３ ＴＶＳ的分類
ＴＶＳ器件按極性可分為單極性和雙極性兩種；按用途可分為通用型和專用型；按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插ＴＶＳ陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可以達到４００Ｗ、５００Ｗ、６００Ｗ、１５００Ｗ和５０００Ｗ。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝的場合。對于高密度安裝的場合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。
３．４ ＴＶＳ的選用
（１）確定被保護電路的最大直流或連續(xù)工作電壓，電路的額定標準電壓和最大可承受電壓；
（２）ＴＶＳ的額定反向關(guān)斷電壓ＶＷＭ應大于或等于被保護電路的最大工作電壓。若選用的ＶＷＭ太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作；
（３）ＴＶＳ的最大反向箝位電壓ＶＣ應小于被保護電路的損壞電壓
（４）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，其峰值脈沖電流應大于瞬態(tài)浪涌電流。一般，ＴＶＳ的最大峰值脈沖功率是以１０／１０００ｍＳ的非重復脈沖給出的，而實際的脈沖寬度是由脈沖源決定的，當脈沖寬度不同時，其峰值功率也不同。如某６００ＷＴＶＳ，對１０００ｍＳ脈寬最大吸收功率為６００Ｗ，但是對５０ｍＳ脈寬吸收功率就可達到２１００Ｗ，而對１０ｍＳ的脈寬最大吸收功率就只有２００Ｗ了。而且吸收功率還和脈沖波形有關(guān)，如果是半個正弦波形式的脈沖，吸收功率就要減到７５％；若是方波形式的脈沖，吸收功率就要減到６６％；
（５）平均穩(wěn)態(tài)功率的匹配對于需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊的ＴＶＳ，如應用在繼電器、功率開關(guān)或電機控制等場合，有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。例如，在一功率開關(guān)電路中會產(chǎn)生１２０Ｈｚ，寬度為４ｍＳ，峰值電流為２５Ａ的脈沖群。選用的ＴＶＳ可以將單個脈沖的電壓箝位到１１．２Ｖ。此中平均穩(wěn)態(tài)功率的計算為：脈沖時間間隔等于頻率的倒數(shù)１／１２０＝０．００８３Ｓ，峰值吸收功率是箝位電壓與脈沖電流的乘積１１．２Ｖ×２５Ａ＝２８０Ｗ，平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對脈沖間隔比值的乘積，即２８０×（０．０００００４Ｓ／０．００８３Ｓ）＝０．１３４Ｗ。也就是說，選用的ＴＶＳ平均穩(wěn)態(tài)功率必須大于０．１３４Ｗ；
（６）對于數(shù)據(jù)接口電路的保護，還必須注意選取具有合適電容Ｃ的ＴＶＳ器件；
（７）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，多線保護選用ＴＶＳ陣列更為有利；
（８）根據(jù)溫度考慮，瞬態(tài)電壓抑制器可以在－５５℃～＋１５０℃之間工作。如果需要ＴＶＳ在一個變化的溫度下工作，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～＋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。
３．５ ＴＶＳ管在使用中應注意的事項
對于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是變化莫測的，技術(shù)人員事前要有估計，對寬脈沖應降額使用。
對于小電流負載的保護方面，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，就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管來對小電流負載線路進行保護。
對重復出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是ＴＶＳ管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。
３．６ 降額使用
作為半導體器件的ＴＶＳ管，要注意環(huán)境溫度升高時的降額使用問題。特別要注意ＴＶＳ管的引線長短以及它與被保護線路的相對距離。當沒有合適電壓的ＴＶＳ管供采用時，允許用多個ＴＶＳ管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個。而峰值吸收功率等于這個電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積.
