設(shè)計(jì)及應(yīng)用：潤(rùn)儀表提供浪涌電壓抑制器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

串聯(lián)管的大電流決定于所采用管中電流吸收能力小的一個(gè)。而峰值吸收功率等于這個(gè)電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積.

１設(shè)計(jì)原則

還應(yīng)在信息家電的電源端加裝相應(yīng)的過電壓維護(hù)裝置，對(duì)于家居信息系統(tǒng)的維護(hù)除了做好慣例的防雷設(shè)施和處置好接地問題外。以消除電網(wǎng)浪涌、雷電感應(yīng)電壓、設(shè)備切換等意外事件對(duì)信息家電設(shè)備的沖擊和毀壞。

并將設(shè)備外殼、室內(nèi)的金屬門、窗、管道等進(jìn)行等電位處理。要求進(jìn)入信息家電內(nèi)的電源線、信號(hào)線應(yīng)通過防雷、防過壓處理。

信息家電設(shè)備雷電過電壓及電磁干擾防護(hù)是維護(hù)通信線路、設(shè)備及人身安全的重要技術(shù)手段和確保通信線路、設(shè)備運(yùn)行不受干擾必*的技術(shù)環(huán)節(jié)。

信息網(wǎng)絡(luò)過電壓維護(hù)必需運(yùn)用電磁兼容原理將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)局部的防護(hù)歸結(jié)到整體的雷電過電壓保護(hù)。

從電磁兼容的角度動(dòng)身，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所處的建筑物作為一個(gè)欲保護(hù)的空間區(qū)域。可由外到內(nèi)分為幾個(gè)雷電維護(hù)區(qū)，現(xiàn)已規(guī)定出各部分空間不同的雷電磁脈沖（ＬＥＭＰ）嚴(yán)重水平。

建筑物外部是直擊雷區(qū)域，根據(jù)雷電維護(hù)區(qū)的劃分要求。這個(gè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備容易遭受損害，危險(xiǎn)性高，

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)，流露區(qū)。越往內(nèi)部，危險(xiǎn)水平越低，雷電過電壓對(duì)內(nèi)部電子設(shè)備的損害主要是沿線路引入。

穿過各級(jí)雷電維護(hù)區(qū)的金屬構(gòu)件在每一穿過點(diǎn)做等電位聯(lián)結(jié)。護(hù)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需通過這些界面。

２浪涌電壓抑制器件

其主要特點(diǎn)是器件擊穿后的殘壓很低，浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類。*種類為橇棒（ＣｒｏｗＢａｒ）器件。因此不只有利于浪涌電壓的迅速泄放，

該類型器件的漏電流小，而且使功耗大大降低。另外。器件極間電容量小，所以對(duì)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(hù)器、硅雙向?qū)ΨQ開關(guān)ＣＳＳＰＤ）等。

即保護(hù)器件在擊穿后，另一類為箝位保護(hù)器。其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升，以箝位的方式起到維護(hù)作用。

常用的箝位保護(hù)器是氧化鋅壓敏電阻ＭＯＶ　瞬態(tài)電壓抑制器（ＴＶＳ）等。

維護(hù)器分過電壓維護(hù)元件和過電流維護(hù)元件。通常所稱的避雷器和隨著國(guó)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。

但它之間的通流容量、動(dòng)作速度、殘壓等有很大差別。而正溫度系數(shù)ＰＴＣ、電感、電阻、平安絲則屬于過電流維護(hù)元件。工作原理差不多。

二極管型防護(hù)器件包括開關(guān)二極管、齊納二極管、瞬態(tài)二極管等。維護(hù)性能大致相同。>

管子呈高阻，接受沖擊能力和限制電壓等級(jí)方面稍有不同。正常情況下。當(dāng)外加電壓達(dá)到其門限值時(shí)，電流迅速增加。響應(yīng)速度非常快的維護(hù)元件，

管子兩端壓降基本不受沖擊電壓和沖擊電流的影響，限幅電壓低。維護(hù)精密設(shè)備中半導(dǎo)體電路非它莫屬。

通流能力方面有了較大的突破，近年來(lái)正在發(fā)展的瞬態(tài)二極管。可用在第二級(jí)甚至*級(jí)保護(hù)。

二極管型防護(hù)器件是利用硅ＰＮ結(jié)正向壓降（ＶＦ）和反向雪崩擊穿電壓（ＶＺ）特性制成的

二是雙向的硅壓敏電阻。ＴＶＳ器件在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，如瞬變電壓抑制二極管（ＴＶＳ）二極管型防護(hù)器件有兩種形式：一是齊納型單向雪崩擊穿。接受到高能量的瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低以允許大電流通過，

從而有效地維護(hù)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(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，將電壓箝制在預(yù)定水平。并把電壓箝制在預(yù)定水平，

所謂箝位系數(shù)就是指ＴＶＳ上流過的電流在大時(shí)的端電壓與流過的電流為小時(shí)的端電壓的比值，雙向ＴＶＳ適用于交流電路。ＴＶＳ的大優(yōu)點(diǎn)是箝位系數(shù)小。

抑制瞬變電壓的效果越好。ＴＶＳ器件的其它優(yōu)點(diǎn)是體積小、響應(yīng)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(huì)下降等。箝位系數(shù)越小。>

缺點(diǎn)是電容大、耐電流量小。現(xiàn)在國(guó)外ＴＶＳ器件已經(jīng)采用氣密性附殼封裝。>

而一般的民用器件則采用有引線或無(wú)引線的塑封形式，外形為ＤＯ－４１。典型的有美國(guó)ＧｅｎｅｒａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司生產(chǎn)４００Ｗ、６００Ｗ、１５００Ｗ無(wú)引線扁平塑封，其４００Ｗ的工作電壓為５．５～１６２Ｖ，

外形為ＳＭＡ／Ｄ０２１４ＡＣ；６００Ｗ的工作電壓為５．５～１６２Ｖ，型號(hào)為ＴＳＭＡ６．８～ＴＳＭＡ２００。型號(hào)為ＴＳＭＢ６．８～ＴＳＭＢ２００，外形為ＳＭＢ／Ｄ０２１４ＡＡ；１５００Ｗ工作電壓５．５～１６２Ｖ，型號(hào)為ＴＳＭＣ６．８～ＴＳＭＣ２００，外形為ＳＭＣ／Ｄ０２１４ＡＢ。

型號(hào)為ＴＧＬ４１－６．８～ＴＧＬ４１－２００，也生產(chǎn)無(wú)引線圓柱形產(chǎn)品。外形為ＭＥＬＦＧＬ４１。該公司還生產(chǎn)５０００Ｗ的ＴＶＳ，其工作電壓為５．０～１１０Ｖ，

外形為Ｐ６００。ＴＶＳ的另一發(fā)展方向是開發(fā)低電壓產(chǎn)品，號(hào)為５ＫＰ５．０～５ＫＰ１１０。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。

硅瞬變吸收二極管 

硅瞬變吸收二極管工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管，箝位型的干擾吸收器件，其應(yīng)用是與被維護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。

硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)速度（亞納秒級(jí)）相當(dāng)高的浪涌吸收能力和極多的電壓檔次。能維護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。

ＴＶＳ管有單方向（單個(gè)二極管）和雙方向（兩個(gè)背對(duì)背連接的二極管）兩種，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維護(hù)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；也防止因環(huán)境溫度變化導(dǎo)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)總線的維護(hù)。

３．１ＴＶＳ的特性                

ＴＶＳ的電路符號(hào)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(shí)間和電壓－時(shí)間曲線。

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。隨著擊穿電流的呈現(xiàn)，

流過ＴＶＳ的電流將達(dá)到峰值脈沖電流ＩＰＰ，同時(shí)在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的大箝位電壓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

后恢復(fù)到初態(tài)，這就是ＴＶＳ抑制可能呈現(xiàn)的浪涌脈沖功率，維護(hù)電子元器件的過程。當(dāng)ＴＶＳ兩極受到反向高能量沖擊時(shí)，能以１０～１２Ｓ級(jí)的速度，

將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預(yù)定值，有效地維護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。ＴＶＳ具有響應(yīng)時(shí)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(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通訊設(shè)備、電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。

３．２ＴＶＳ的主要參數(shù)

１）大反向漏電流ＩＤ和額定反向關(guān)斷電壓ＶＷＭ。ＶＷＭ是ＴＶＳ大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，

當(dāng)這個(gè)反向電壓加于ＴＶＳ的兩極間時(shí)它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它電流應(yīng)小于或等于其大反向漏電流ＩＤ；

２）小擊穿電壓ＶＢＲ和擊穿電流ＩＲ。ＶＢＲ是ＴＶＳ小的擊穿電壓。２５℃時(shí)，

低于這個(gè)電壓ＴＶＳ是不會(huì)發(fā)生雪崩的當(dāng)ＴＶＳ流過規(guī)定的１ｍＡ電流（ＩＲ）時(shí)，加于ＴＶＳ兩極的電壓為其小擊穿電壓ＶＢＲ。按ＴＶＳ的ＶＢＲ與標(biāo)準(zhǔn)值的離散水平，

可把ＶＢＲ分為５％和１０％兩種。對(duì)于５％的ＶＢＲ來(lái)說(shuō)，ＶＷＭ＝０．８５ＶＢＲ；對(duì)于１０％的ＶＢＲ來(lái)說(shuō)，ＶＷＭ＝０．８１ＶＢＲ；

３）大箝位電壓ＶＣ和大峰值脈沖電流ＩＰＰ。當(dāng)繼續(xù)時(shí)間為２０ｍＳ的脈沖峰值電流ＩＰＰ流過ＴＶＳ時(shí)，其兩端出現(xiàn)的大峰值電壓為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)截面決定的特定的１ＭＨｚ頻率下測(cè)得的Ｃ的大小與ＴＶＳ的電流接受能力成正比，Ｃ太大將使信號(hào)衰減。因此，Ｃ是數(shù)據(jù)接口電路選用ＴＶＳ的重要參數(shù)；

５）大峰值脈沖功耗ＰＭ。ＰＭ是ＴＶＳ能承受的大峰值脈沖功率耗散值。

給定的大箝位電壓下，功耗ＰＭ越大，其浪涌電流的接受能力越大；給定的功耗ＰＭ下，箝位電壓ＶＣ越低，其浪涌電流的接受能力越大。

另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、繼續(xù)時(shí)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(fù)的

器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率（繼續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比）為０．０１％。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞ＴＶＳ；

６）箝位時(shí)間ＴＣ。ＴＣ是從零到小擊穿電壓ＶＢＲ的時(shí)間。對(duì)單極性ＴＶＳ小于１１０－１２Ｓ；對(duì)雙極性ＴＶＳ小于１０１０－１２Ｓ。

３．３ＴＶＳ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(dá)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(chǎng)所。

對(duì)于高密度安裝的場(chǎng)所還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。

３．４ＴＶＳ的選用

１）確定被保護(hù)電路大直流或連續(xù)工作電壓，電路的額定規(guī)范電壓和大可承受電壓；

２）ＴＶＳ的額定反向關(guān)斷電壓ＶＷＭ應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的大工作電壓。若選用的ＶＷＭ太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作；

３）ＴＶＳ的大反向箝位電壓ＶＣ應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓

４）規(guī)定的脈沖繼續(xù)時(shí)間內(nèi)，ＴＶＳ的大峰值脈沖功率ＰＭ必需大于被維護(hù)電路可能呈現(xiàn)的峰值脈沖功率。確定了大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。

一般，ＴＶＳ的大峰值脈沖功率是以１０／１０００ｍＳ的非重復(fù)脈沖給出的而實(shí)際的脈沖寬度是由脈沖源決定的當(dāng)脈沖寬度不同時(shí)，其峰值功率也不同。

如某６００ＷＴＶＳ，對(duì)１０００ｍＳ脈寬大吸收功率為６００Ｗ，但是對(duì)５０ｍＳ脈寬吸收功率就可達(dá)到２１００Ｗ，而對(duì)１０ｍＳ的脈寬大吸收功率就只有２００Ｗ了

而且吸收功率還和脈沖波形有關(guān)，如果是半個(gè)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(duì)于需要接受有規(guī)律的短暫的脈沖群沖擊的ＴＶＳ，如應(yīng)用在繼電器、功率開關(guān)或電機(jī)控制等場(chǎng)合，有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。例如，一功率開關(guān)電路中會(huì)發(fā)生１２０Ｈｚ，

寬度為４ｍＳ，峰值電流為２的脈沖群。選用的ＴＶＳ可以將單個(gè)脈沖的電壓箝位到１１．２Ｖ。此中平均穩(wěn)態(tài)功率的計(jì)算為：

脈沖時(shí)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１１．２Ｖ２＝２８０Ｗ，平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對(duì)脈沖間隔比值的乘積，

即２８００．０００００４Ｓ／０．００８３Ｓ）＝０．１３４Ｗ。也就是說(shuō)，選用的ＴＶＳ平均穩(wěn)態(tài)功率必需大于０．１３４Ｗ；

６）對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的維護(hù)，還必需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，多線維護(hù)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(gè)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，必需查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對(duì)其特性的影響。

３．５ＴＶＳ管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)

對(duì)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(cè)給的只是特定脈寬下的吸收功率（峰值）

而實(shí)際線路中的脈沖寬度則是變化莫測(cè)的技術(shù)人員事前要有估計(jì)，對(duì)寬脈沖應(yīng)降額使用。

對(duì)于小電流負(fù)載的維護(hù)方面，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，就不會(huì)影響線路的正常工作，

但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的ＴＶＳ管來(lái)對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行維護(hù)。

對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的ＴＶＳ管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在平安范圍之內(nèi)。

３．６降額使用

作為半導(dǎo)體器件的ＴＶＳ管，要注意環(huán)境溫度升高時(shí)的降額使用問題。特別要注意ＴＶＳ管的引線長(zhǎng)短以及它與被保護(hù)線路的相對(duì)距離。當(dāng)沒有合適電壓的ＴＶＳ管供采用時(shí)，允許用多個(gè)ＴＶＳ管串聯(lián)使用。