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隨著(zhù)電子設備的激增和用戶(hù)安全法規的演變，設計人員一直在尋找各種方法來(lái)加強設備保護，同時(shí)又要最大限度地減少成本和電路板空間。問(wèn)題是，電路保護很像保險：在需要它之前，可能看起來(lái)是不必要的開(kāi)支。但確實(shí)需要這種保護來(lái)防止各種內部和外部的失常和故障，包括內部和外部短路、過(guò)流和電壓浪涌情況。這些情況可能會(huì )導致系統暫時(shí)或永久性地失能；損害系統、其內部組件或負載；甚至導致對用戶(hù)的傷害。 沒(méi)有單一的保護方案適用于所有的故障和情況。例如，在實(shí)施過(guò)壓保護 (OVP) 時(shí)，像氣體放電管 (GDT) 這樣的撬棍裝置一般更適合于長(cháng)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 )因為“維持電流”而保持持續擊穿，而 MOV 可能永久失效，并可能因熱擊穿而達到危險的高溫。以混合方式將兩種元件串聯(lián)在一起，可以彌補任何潛在的問(wèn)題，但這種方法使得電路板布局復雜化，并增加了成本。因此我們需要在設計方面取得進(jìn)展，以消除這種危害。 本文介紹了 OVP 保護的重要性及其各種實(shí)現方法。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)現了更長(cháng)的壽命且無(wú)維持電流。最后介紹了幾款來(lái)自 Bourns, Inc. 的實(shí)例器件，描述了它們的突出特點(diǎn)，并說(shuō)明如何進(jìn)行選型和使用，以實(shí)現有效的、低成本的保護。 保護有多個(gè)角度 對于電路和系統保護，沒(méi)有“萬(wàn)全之策”。這有兩個(gè)原因：第一，有許多故障類(lèi)型和情形需要保護；第二，故障條件的大小和持續時(shí)間決定了所需保護的類(lèi)型和堅固程度。 在許多這些一般性故障情況中，有以下幾種： 過(guò)流，即由于外部故障、短路或內部元件故障（包括絕緣故障）導致的負載電流過(guò)大。 過(guò)壓，系統的某個(gè)部分由于連接錯誤而承受過(guò)高的電壓。 過(guò)熱，由于設計不良、熱管理不足或環(huán)境熱量過(guò)高，導致組件過(guò)熱。 組件故障，即一個(gè)內部組件發(fā)生故障，導致過(guò)流/過(guò)壓情況，從而損壞其他組件或負載。 故障的后果往往也不僅僅是影響或破壞一個(gè)系統，因為它們可能會(huì )導致用戶(hù)觸電。 用于浪涌保護的撬棍裝置和箝位裝置 在交流和直流電路中，最具挑戰性的故障條件是過(guò)壓浪涌，稱(chēng)為暫時(shí)過(guò)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(kāi)關(guān)，將有害的瞬變注入電氣設備及其敏感的電子設備。 有兩大類(lèi)浪涌保護裝置 (SPD) 用來(lái)處理過(guò)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(yǔ)有時(shí)可以互換使用，但它們并不一樣）。 簡(jiǎn)而言之，撬棍裝置是所保護線(xiàn)路的短接電路，從而將浪涌及其電流轉移到接地，防止其到達電路（圖 1）。當過(guò)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(huà)：“撬棍”一詞據說(shuō)源自電力早期的產(chǎn)業(yè)工人的操作，當發(fā)生過(guò)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(xiàn)上。 
圖 1：當撬棍保護功能觸發(fā)時(shí)，它會(huì )成為其所保護線(xiàn)路與地之間的低阻抗路徑，從而將過(guò)壓浪涌轉移到地。（圖片來(lái)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(guò)壓狀態(tài)的時(shí)間內處理流過(guò)它的電流。 相比之下，箝位裝置可以防止電壓超過(guò)預設水平（圖 2）。當瞬態(tài)電壓達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(xiàn)路將恢復到正常運行模式。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(guò)壓浪涌限制在一個(gè)預定的值內。（圖片來(lái)源：Bourns Inc.） 當瞬態(tài)電壓高于箝位裝置的傳導電壓時(shí)，箝位裝置傳導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 )導致一些必須解決的安全相關(guān)問(wèn)題，而且可能需要額外的保護，這個(gè)問(wèn)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 OVP 功能 由于撬棍和箝位裝置是重要的保護裝置，因此它們必須簡(jiǎn)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絲一樣，是經(jīng)典的過(guò)流保護元件，經(jīng)常用作額外的保護層。 撬棍裝置：最常見(jiàn)的撬棍裝置是 GDT，其火花間隙經(jīng)過(guò)精心設計和構造，位于一個(gè)充滿(mǎn)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(lái)像一個(gè)接近無(wú)限大的電阻（圖 3）。然而，當過(guò)壓浪涌發(fā)生并超過(guò) GDT 的設計電壓時(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(xiàn)路短路，直到故障熄滅。
圖 3：GDT 是一個(gè)復雜的火花間隙器件，只有當其兩端的電壓超過(guò)其設計值時(shí)才會(huì )導通；在此之前，它看起來(lái)像一個(gè)幾乎完美的斷開(kāi)電路。（圖片來(lái)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低，為 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 的額定值可達數千伏。GDT 有一個(gè)問(wèn)題就是其存在后續電流（也稱(chēng)維持電流），即，即使在故障解除后仍有電流繼續流動(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、通信線(xiàn)路和傳感電路的大電流保護（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)覆蓋廣泛設計范圍的箝位電壓。（圖片來(lái)源：Bourns Inc.） MOV 通常會(huì )傳導少量的漏電電流，即使應用的電壓遠遠低于其標稱(chēng)的閾值電壓。如果 MOV 受到超過(guò)其額定值的電壓浪涌，就會(huì )發(fā)生永久性損壞，導致泄電電流增加。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(lái)電擊危險。 此外，如果泄電電流足夠大，MOV 內部會(huì )自發(fā)熱。當 MOV 連續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)，導致附近的材料起火。出于基本安全和安全相關(guān)標準要求，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(méi)有漏電電流的 OVP 解決方案，從而延長(cháng)工作壽命，設計人員經(jīng)常采用雙組件結構。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(xiàn)見(jiàn)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(lái)源：Bourns Inc.）
圖 6：GDT + MOV 混合排列的時(shí)間響應顯示了每個(gè)器件的基本響應屬性是如何組合一起的。（圖片來(lái)源：Bourns Inc.） 這是一種有效的方式，讓每個(gè)器件補償另一個(gè)器件可能缺點(diǎn)。然而，這種方法也有成本。 它需要更多的電路板空間 物料清單 (BOM) 中還加入了另一個(gè)組件 另一個(gè)挑戰是，MOV 和 GDT 區域的電路板布局因法規要求而變得復雜，這些要求定義了最小的爬電距離和間隙距離。 間隙是兩個(gè)導電部件之間在空氣中的最短距離 爬電距離是指兩個(gè)導電部件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離 問(wèn)題是，間隙和爬電距離隨著(zhù)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)強制和約束，需要考慮到電路板布局。 為了幫助設計人員解決這些成本、空間和監管問(wèn)題，Bourns, Inc. 開(kāi)發(fā)了 IsoMOV 系列的混合保護元件。該系列提供了一種替代解決方案，將 MOV 和 GDT 結合在一個(gè)單一的封裝中，提供了與串聯(lián)分立 MOV 和 GDT 相當的功能（圖 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)標準符號合并而成的。（圖片來(lái)源：Bourns Inc.） 我們看一下 IsoMOV 的結構就會(huì )發(fā)現，它不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的將 MOV 和 GDT 共同包裝在一個(gè)共用外殼中（圖 8）。
圖 8：IsoMOV 的物理結構是一個(gè)完全不同的混合功能的實(shí)現，而非兩個(gè)單獨現有設備的共同封裝。（圖片來(lái)源：Bourns Inc.） 內核組裝完成后，連接引線(xiàn)，并對單元進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂涂覆。其結果是一個(gè)熟悉的徑向盤(pán)式 MOV 封裝，只是稍微厚一些，直徑比類(lèi)似額定值的傳統裝置小一些（圖 9）。此外，由于采用了金屬氧化物專(zhuān)利技術(shù)設計，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(wèn)題得以消除。
圖 9：徑向引線(xiàn)式圓盤(pán)封裝 IsoMOV 看起來(lái)像一個(gè)標準的 MOV，只是直徑更小，且額定電流比單獨的同等 MOV 更高。（圖片來(lái)源：Bourns Inc.） IsoMOV 不僅僅做到了“兩全其美”，而且還有其他設計優(yōu)勢。MOV 故障有一個(gè)特征，通常在金屬化區域的邊緣會(huì )出現所謂的“浪涌孔”，這通常是由于在浪涌期間 MOV 內部的溫度升高造成的。Bourns 設計了獨特的 EdgMOV 技術(shù)，專(zhuān)門(mén)用來(lái)大幅減少或消除這種故障模式。 讓我們來(lái)看一個(gè)實(shí)際 IsoMOV 型號，以獲得更詳細的了解。ISOM3-275-B-L2 的最大額定連續工作電壓 (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)，因此很適合高速數據線(xiàn)路，而且其漏電電流很低，低于 10 微安 (μA)。 標準的作用 設計工程師必須實(shí)施各種形式的浪涌或其它保護，原因很多，從審慎的設計實(shí)踐要求到各種監管標準的規定。其中一些標準是通用的，適用于符合一般操作情況的任何設備，如交流線(xiàn)路操作；另一些標準則專(zhuān)門(mén)針對某類(lèi)應用，如醫療設備。在標準制定組織中，有 UL、IEEE 和 IEC；他們的許多標準是“協(xié)調”的，因此是相同的，或幾乎相同。 所有這些標準都很復雜，有許多規定；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)設備 – 安全”和 UL/IEC 62368-1 以及“音頻/視頻、信息和通信技術(shù)設備標準 – 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備額定電壓的 125%。因此，對于 240 伏均方根的主電路來(lái)說(shuō) ，MOV 的額定電壓必須至少是 300 伏均方根。 考慮一下常見(jiàn)的交流線(xiàn)路插頭的情況，它有兩個(gè)和三個(gè)孔的版本。理論上，三線(xiàn)制版本提供了一個(gè)安全地線(xiàn)，但在實(shí)踐中，該地線(xiàn)往往沒(méi)有連接或無(wú)法使用。當只有火線(xiàn)和中性線(xiàn)時(shí)，缺乏真正接地的安全地線(xiàn)連接會(huì )導致潛在的危險狀況。在這種情況下，有必要在設計中加入保護組件，以防止用戶(hù)在觸摸本應接地但沒(méi)有接地的導電部件時(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。 防止 MOV 漏電電流變得這樣危險的最常見(jiàn)解決方案是將至少一個(gè) GDT 與 MOV 串聯(lián)（圖 10）。通過(guò)使用 IsoMOV 器件，一個(gè)封裝同時(shí)實(shí)現了 MOV 和 GDT 功能，從而節省了板空間。因此，IsoMOV 也是一個(gè)解決問(wèn)題的組件，它簡(jiǎn)化了滿(mǎn)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用中由于不可避免的泄電電流造成的用戶(hù)觸電危險，可以將兩個(gè)器件（一個(gè) MOV 和一個(gè) GDT）串聯(lián)在交流線(xiàn)路的火線(xiàn)和中性線(xiàn)之間。（圖片來(lái)源：Bourns Inc.）
圖 11：使用獨立 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)現更小的整體解決方案尺寸。（圖片來(lái)源：Bourns Inc.） 結語(yǔ) 人們經(jīng)常問(wèn)工程師哪種解決方案“最好”。在大多數情況下，只有折中方案，沒(méi)有單一、簡(jiǎn)單的答案。一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)現過(guò)壓保護時(shí)，撬棍裝置更適合于長(cháng)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，并使電路板布局復雜化。 現在，隨著(zhù)新技術(shù)的出現，沒(méi)有必要妥協(xié)了。Bourns 的 IsoMOV 比單獨 MOV 實(shí)現了更長(cháng)的運行壽命，但沒(méi)有 GDT 的后續電流問(wèn)題。這些器件同時(shí)提供浪涌和過(guò)壓保護，以較小板空間占用滿(mǎn)足了所有相關(guān)標準要求。此外，其低漏電電流將后續問(wèn)題降至最低，而極低的電容也使得它們適用于保護低壓、高速電路。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber |
