一、關于雷擊浪涌防護簡介

對于電磁兼容的整改，很多都會涉及系統瞬變干擾的影響的抗性，特別是對于雷擊浪涌這種破壞性能量的抑制，一般LC網絡組成的濾波電路對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的輸入端用并聯的方式接入瞬變干擾吸收電路，對超過系統可承受電壓的部分進行能量轉移泄放、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。

往往由于防護的精度不同，可以使用不同規格不同類型的器件配合使用，甚至與LC網絡構成的EMI濾波器配合使用。典型應用電路如下圖所示。

對于不同應用場合的產品，《GB/T 17626.5 電磁兼容試驗和測量技術浪涌(沖擊)抗擾度試驗》規定了不測試電壓等級、不同形狀的開路電壓及短路電流測試波形，對于連接到對稱通信線的端口，使用開路電壓波形為10/700μs(波前時間10μs，半峰時間700μs)的組合波發生器，對于其他情況，特別是連接到電源線和短距離信號互連線的端口，使用1.2/50μs的組合波發生器。發生器有效輸出阻抗設定為2×(1±10%)Ω。我們可以通過測試儀 器發生器的輸出電壓波形，跟對應的“開路電壓峰值和短路電流峰值的關系”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、關于壓敏電阻

(下文討論對象為雙腳直插式的壓敏電阻，由于時間原因及知識所限并未提及其他規格封裝，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“開關型器件”)。由于相應速度快、吸收效果明顯，且價格便宜，經常用于各種場合的浪涌雷擊吸收，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、壓敏電阻結構

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，并從氧化物的兩側引出電極引腳。氧化鋅顆?？梢援斪鍪窃S多個PN結以串聯或并聯的形式排列在一起，所以其特性與兩只反接的硅穩壓二極管近似。

由于其本身近似半導體的特點，兩端電壓在較低幅值時，阻抗近似無窮大;當瞬變干擾超過一定電壓值時，導通阻抗瞬間下降，超過幅值的電壓被轉化為瞬態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?；谏鲜鼋Y構特征，可歸納出壓敏電阻相關特點：對瞬變騷擾吸收能力與體積正相關——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，決定了壓敏電阻對電瞬變的防護作用多用于浪涌雷擊，一般的壓敏電阻對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。

壓敏電阻的相應速度為ns級，故引線電感對響應速度的影響是不可忽略的，同時引線又會引入感應電壓，對箝位效果有反作用。所以壓敏電阻的引腳越短越好，同時電路板上的走線盡量布短布寬(另外要保證加工過程不會因為對引腳的操作不會對壓敏電阻結構造成破壞，故又不能極盡短)。下圖是相關引腳長度對箝位的影響：

2、特征參數

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化為瞬態大電流，以此起到電壓箝位作用。故最主要的參數是壓敏電壓及對浪涌電流的吸收能力。常作為選型考慮的有下面一些參數：

1)壓敏電壓：包裝上標識的電壓規格。恒流條件下測得的壓敏電阻兩端的壓降(測試條件：直徑5mm的管芯，測試電流100μA;管芯大于5mm，1mA)。

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

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

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

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

舉個例子，之前用過的興勤TVR系列氧化鋅壓敏電阻器，其產品規格書中有如下標識：

3、使用及失效

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

1)電路正常工作電壓范圍在最大連續工作電壓范圍內，并保留一定余量。

2)壓敏電阻的標稱壓敏電壓與實際壓敏電壓有差別，最好選用標稱壓敏電壓為直流電路設計額定值的1.8~2倍、交流電路設計額定值的2.2~2.5倍。

3)流通容量，即最大沖擊電流值的選取，可考慮兩個方面：使用場合，試驗標準規定的實驗等級。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，3kA可用于電器設備浪涌吸收，5kA或以上用于電子設備的雷擊保護”做大概選型。后者，由于常用綜合波發生器的內阻為2Ω，可粗略地認為測試等級為2kV時，保護電路需吸收的最大電流為1kA，4kV時為2kA。此外，由于吸收同樣大小的浪涌電流時，流通能力更大的壓敏電阻殘壓更小，故設計時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應的規格書;規格大小按照設計電路的大小及保護規格決定，如設備耐壓水平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、內部吸收不均勻等原因，造成局部或整體發熱大于散熱，引起熱崩潰而擊穿。

2)閃絡：外部是假的瞬態電場強度過高或外部絕緣層太差，導致強電場作用下，沿元器件側表發生發電。

3)開裂：吸收能量過大時，熱應力作用導致開裂(或導致短路、開路)。

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

4、應用電路：

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，導致它有較大的漏電流，而氣體放電管漏電流很小，使得系統幾乎沒有漏電流。同時配合氣體放電管的使用可以承受更大等級的沖擊電流。

3)串并聯使用：

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

并聯：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。一般并聯的兩只壓敏電阻規格一致，保證電流在各電阻片之間均勻分配。

4)與TVS管等配合使用：進行更高精度的電壓箝位。

原文標題：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