隨著電子設備的激增和用戶安全法規(guī)的演變，設計人員一直在尋找各種方法來加強設備保護，同時又要最大限度地減少成本和電路板空間。問題是，電路保護很像保險：在需要它之前，可能看起來是不必要的開支。但確實需要這種保護來防止各種內部和外部的失常和故障，包括內部和外部短路、過流和電壓浪涌情況。這些情況可能會導致系統(tǒng)暫時或永久性地失能；損害系統(tǒng)、其內部組件或負載；甚至導致對用戶的傷害。
沒有單一的保護方案適用于所有的故障和情況。例如，在實施過壓保護 (OVP) 時，像氣體放電管 (GDT) 這樣的撬棍裝置一般更適合于長期故障，而金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 等箝位裝置則更適合于瞬時事件。然而，GDT 會因為“維持電流”而保持持續(xù)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現(xiàn)方法。然后，介紹了 IsoMOV 技術，該技術在單一器件中將 GDT 和 MOV 的優(yōu)勢集于一體，實現(xiàn)了更長的壽命且無維持電流。最后介紹了幾款來自 Bourns, Inc. 的實例器件，描述了它們的突出特點，并說明如何進行選型和使用，以實現(xiàn)有效的、低成本的保護。
保護有多個角度
對于電路和系統(tǒng)保護，沒有“萬全之策”。這有兩個原因：第一，有許多故障類型和情形需要保護；第二，故障條件的大小和持續(xù)時間決定了所需保護的類型和堅固程度。
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）導致的負載電流過大。
過壓，系統(tǒng)的某個部分由于連接錯誤而承受過高的電壓。
過熱，由于設計不良、熱管理不足或環(huán)境熱量過高，導致組件過熱。
組件故障，即一個內部組件發(fā)生故障，導致過流/過壓情況，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系統(tǒng)，因為它們可能會導致用戶觸電。
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(zhàn)性的故障條件是過壓浪涌，稱為暫時過壓 (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關，將有害的瞬變注入電氣設備及其敏感的電子設備。
有兩大類浪涌保護裝置 (SPD) 用來處理過壓和 TOV 事件：撬棍裝置和箝位裝置。（注意，在非正式討論中，這些術語有時可以互換使用，但它們并不一樣）。
簡而言之，撬棍裝置是所保護線路的短接電路，從而將浪涌及其電流轉移到接地，防止其到達電路（圖 1）。當過壓情況發(fā)生時，撬棍裝置被觸發(fā)進入這種低阻抗模式。
有趣的題外話：“撬棍”一詞據(jù)說源自電力早期的產業(yè)工人的操作，當發(fā)生過壓情況時，他們會將一個真正的金屬撬棍扔到電源和接地母線上。
圖 1：當撬棍保護功能觸發(fā)時，它會成為其所保護線路與地之間的低阻抗路徑，從而將過壓浪涌轉移到地。（圖片來源：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，這時它會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壓狀態(tài)的時間內處理流過它的電流。
相比之下，箝位裝置可以防止電壓超過預設水平（圖 2）。當瞬態(tài)電壓達到箝位裝置額定的限制水平時，它會箝制住電壓，直到故障熄滅，這時線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，箝位裝置將過壓浪涌限制在一個預定的值內。（圖片來源：Bourns Inc.）
當瞬態(tài)電壓高于箝位裝置的傳導電壓時，箝位裝置傳導的電流剛好能將其兩端的電壓維持在一個安全、理想的值。這種電流雖然很小，但會導致一些必須解決的安全相關問題，而且可能需要額外的保護，這個問題將在下文進一步討論。其額定值必須是其在特定時間內必須耗散的功率，這通常是一個相對較短的瞬態(tài)事件。
實現(xiàn) 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，是經典的過流保護元件，經常用作額外的保護層。
撬棍裝置：最常見的撬棍裝置是 GDT，其火花間隙經過精心設計和構造，位于一個充滿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，它看起來像一個接近無限大的電阻（圖 3）。然而，當過壓浪涌發(fā)生并超過 GDT 的設計電壓時，氣體會電離，管子會像火花間隙一樣“閃光”，并從高阻抗切換到非常低的阻抗。這一變化將暫時使線路短路，直到故障熄滅。
圖 3：GDT 是一個復雜的火花間隙器件，只有當其兩端的電壓超過其設計值時才會導通；在此之前，它看起來像一個幾乎完美的斷開電路。（圖片來源：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?shù)停瑸?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(shù)千伏。GDT 有一個問題就是其存在后續(xù)電流（也稱維持電流），即，即使在故障解除后仍有電流繼續(xù)流動。
箝位裝置：兩個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）提供了一個覆蓋廣泛設計范圍的箝位電壓。（圖片來源：Bourns Inc.）
MOV 通常會傳導少量的漏電電流，即使應用的電壓遠遠低于其標稱的閾值電壓。如果 MOV 受到超過其額定值的電壓浪涌，就會發(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帶來電擊危險。
此外，如果泄電電流足夠大，MOV 內部會自發(fā)熱。當 MOV 連續(xù)連接在交流電源上時，這種自熱會產生正反饋，即泄電電流越大自熱就越多，而自熱越多又會導致泄電電流越大。隨后的激增會進一步加速這一循環(huán)。
在某些時候，MOV 將進入熱失控模式，產生相當大的熱量并破壞 MOV。在某些情況下，MOV 產生的熱量可能成為潛在的點火源 (PIS)，導致附近的材料起火。出于基本安全和安全相關標準要求，必須考慮和處理這種影響。
一個更好的 OVP 解決方案
為了提供一個幾乎沒有漏電電流的 OVP 解決方案，從而延長工作壽命，設計人員經常采用雙組件結構。這種混合方法將兩個分立器件組合在一起：將 GDT 與 MOV（圖 5）串聯(lián)，組合后電壓與時間曲線見圖 6。
圖 5：串聯(lián) GDT 和 MOV 的混合方法提供了一個更有效的 OVP 解決方案。（圖片來源：Bourns Inc.）
圖 6：GDT + MOV 混合排列的時間響應顯示了每個器件的基本響應屬性是如何組合一起的。（圖片來源：Bourns Inc.）
這是一種有效的方式，讓每個器件補償另一個器件可能缺點。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) 中還加入了另一個組件
另一個挑戰(zhàn)是，MOV 和 GDT 區(qū)域的電路板布局因法規(guī)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。
問題是，間隙和爬電距離隨著電壓的增加而增加。因此，布置 MOV 和 GDT 元件時增加了另一個強制和約束，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(jiān)管問題，Bourns, Inc. 開發(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 結合在一個單一的封裝中，提供了與串聯(lián)分立 MOV 和 GDT 相當?shù)墓δ埽▓D 7）。
圖 7：IsoMOV（右）原理圖符號顯示它是由 GDT（中，左）和 MOV（上和下，左）單個標準符號合并而成的。（圖片來源：Bourns Inc.）
我們看一下 IsoMOV 的結構就會發(fā)現(xiàn)，它不僅僅是一個簡單的將 MOV 和 GDT 共同包裝在一個共用外殼中（圖 8）。
圖 8：IsoMOV 的物理結構是一個完全不同的混合功能的實現(xiàn)，而非兩個單獨現(xiàn)有設備的共同封裝。（圖片來源：Bourns Inc.）
內核組裝完成后，連接引線，并對單元進行環(huán)氧樹脂涂覆。其結果是一個熟悉的徑向盤式 MOV 封裝，只是稍微厚一些，直徑比類似額定值的傳統(tǒng)裝置小一些（圖 9）。此外，由于采用了金屬氧化物專利技術設計，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/間距問題得以消除。
圖 9：徑向引線式圓盤封裝 IsoMOV 看起來像一個標準的 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 故障有一個特征，通常在金屬化區(qū)域的邊緣會出現(xiàn)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，專門用來大幅減少或消除這種故障模式。
讓我們來看一個實際 IsoMOV 型號，以獲得更詳細的了解。ISOM3-275-B-L2 的最大額定連續(xù)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，值得特別關注的是，它在 20 千赫茲 (kHz) 時的電容很低，只有 30 皮法 (pF)，因此很適合高速數(shù)據(jù)線路，而且其漏電電流很低，低于 10 微安 (μA)。
標準的作用
設計工程師必須實施各種形式的浪涌或其它保護，原因很多，從審慎的設計實踐要求到各種監(jiān)管標準的規(guī)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，如交流線路操作；另一些標準則專門針對某類應用，如醫(yī)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(guī)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“信息技術設備 – 安全”和 UL/IEC 62368-1 以及“音頻/視頻、信息和通信技術設備標準 – 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說 ，MOV 的額定電壓必須至少是 300 伏均方根。
考慮一下常見的交流線路插頭的情況，它有兩個和三個孔的版本。理論上，三線制版本提供了一個安全地線，但在實踐中，該地線往往沒有連接或無法使用。當只有火線和中性線時，缺乏真正接地的安全地線連接會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，以防止用戶在觸摸本應接地但沒有接地的導電部件時可能發(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解決方案是將至少一個 GDT 與 MOV 串聯(lián)（圖 10）。通過使用 IsoMOV 器件，一個封裝同時實現(xiàn)了 MOV 和 GDT 功能，從而節(jié)省了板空間。因此，IsoMOV 也是一個解決問題的組件，它簡化了滿足 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觸電危險，可以將兩個器件（一個 MOV 和一個 GDT）串聯(lián)在交流線路的火線和中性線之間。（圖片來源：Bourns Inc.）
圖 11：使用獨立 MOV 和 GDT 的替代方案是使用單個 IsoMOV 器件，從而獲得相同或更好的性能，并實現(xiàn)更小的整體解決方案尺寸。（圖片來源：Bourns Inc.）
結語
人們經常問工程師哪種解決方案“最好”。在大多數(shù)情況下，只有折中方案，沒有單一、簡單的答案。一般來說，在實現(xiàn)過壓保護時，撬棍裝置更適合于長期故障，而箝位裝置則更適合于瞬時事件。但是使用這兩個裝置都會增加板空間占用，并使電路板布局復雜化。
現(xiàn)在，隨著新技術的出現(xiàn)，沒有必要妥協(xié)了。Bourns 的 IsoMOV 比單獨 MOV 實現(xiàn)了更長的運行壽命，但沒有 GDT 的后續(xù)電流問題。這些器件同時提供浪涌和過壓保護，以較小板空間占用滿足了所有相關標準要求。此外，其低漏電電流將后續(xù)問題降至最低，而極低的電容也使得它們適用于保護低壓、高速電路。
