整理浪涌抑制器件特性及选用文档格式.docx

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在实际应用中应考虑到残压对保护元件的影响。

过载特性，当脉冲电流大于压敏电阻的规定值时，可导致压敏电阻受到永久性的损伤，此时压敏电阻没有损坏，但动作电压点可能会发生偏移；

当输入的脉冲能量远大于其规定值时，将发生通过陶瓷体的击穿，在极端的情况下压敏电阻爆裂；

当流通过压敏电阻过高的持续负荷时，将导致ZnO晶粒的融合，产生热击穿，压敏电阻陶瓷体的触点接通面可能因发热导致脱焊。

压敏电阻的应用及保护原理

压敏电阻可应用在通讯、能源、交通、工业、民用等所有电子设备防浪涌场合。

按不同的浪涌过电压种类可分为，设备内部过电压，如电感负载的接通、飞狐、静电充电等引起的设备内部过电压，可通过计算出最坏情况下的条件来选用压敏电阻；

外部过电压，强的电磁场、电网波动、雷电影响等都可造成外部的过电压。

对于外部浪涌过电压因其波形、振幅和频繁度在大多数情况下是未知的或是很不明确的，这对需要保护的电路布置的参数设置选择是相当困难的。

在对外部浪涌过压防护元件的选用上，可参考典型电源网络进行计算，但由于当地都存在有较大的差异性，，因此对于可靠的过电压保护装置，在选用上必须留有较大的余量参数。

压敏电阻的保护原理如图3：

图3压敏电阻的保护原理

图3中Vb为正常工作电压，Vs为浪涌电压，Zsource为电缆的直流电阻，或一个线圈，或是一个传输线复合特性阻抗的有感电阻。

当浪涌到达时压敏电阻动作，使其流通大电流，通过Zsource分压，使大部分浪涌电压落在Zsource上，起到保护后边的电子设备的作用。

压敏电阻动作时的V/I特性和保护水平如图4：

图4压敏电阻的V/I特性和保护水平

图4中浪涌电压为①，通过压敏电阻抑制后为②，起到保护的作用。

压敏电阻的串联使用，为达到比较精确的工作电压，一般采用同一系列不同工作电压值的压敏电阻可以串联组合使用，串联电路的最大工作电压为每个压敏电阻的最大工作电压之和。

压敏电阻的并联使用，为了提高能量的吸收能力，相同型号的压敏电阻可以并联使用。

图5为压敏电压为误差上限和下限的两个压敏电阻的V/I特性近似值图：

图5压敏电阻并联使用的V/I特性

由图3看出，当浪涌电流较小时两个压敏电阻的电流吸收存在有较大的差别，当浪涌电流增大以后，每个压敏电阻的电流吸收基本趋于一致。

压敏电压差别较大的压敏电阻并联，其分配浪涌吸收电流的不一致性也加大。

压敏电阻除了自身的并联和串联使用外，还可以和放电管等其他防雷器件组合使用，起到优化组合使用的目的。

压敏电阻的选用

压敏电阻的选用主要有一下三个步骤：

1，适合的工作电压的压敏电阻。

2，考虑脉冲电流、能量耐量和持续容许负荷。

3，确定被选出的压敏电阻在过电压的情况下，最大可能的电压上升和被保护的元件或是电流回路的耐电压强度进行比较。

在工作电压的确定上应考虑到被保护元件的最大耐压水平和压敏电阻的使用寿命上，当选用较低的工作电压的压敏电阻时，压敏电阻漏电流较大，寿命短，选用工作电压较高的压敏电阻显然是不合适的。

在工作电压的选取上应同时考虑到电网源的正向波动情况。

一般工作电压确定为

脉冲电流是最难确定的一个参数，因为在实际使用中的浪涌冲击电流是很难确定的一个量，在脉冲电流的确定上可通过PsPice模拟和近似计算的方法得出，

压敏电阻的脉冲电流应和输入保险相配合选用。

由于浪涌产生压敏电阻的能量损耗，

，在正常使用时的能量耐量应小于规定最大值。

在正常工作电压下压敏电阻的损耗为Po，由于此时漏电流较小，一般为几微安，Po可忽略不计。

持续负荷主要考虑重复的浪涌冲击而产生的持续损耗。

能量耐量和持续容许负荷都应小于规定最大值，否则压敏电阻易发生热击穿现象。

确定压敏电阻的最大残压，一般压敏电阻的残压比在1.5~3之间，和浪涌脉冲电流的大小有关系。

由被保护的元件所能承受的最大耐压确定压敏电阻的残压。

一般半导体器件对us级别的浪涌冲击的耐受电压都较高，压敏电阻的选用时做相应的考虑。

压敏电阻使用中的注意事项

1，当输入的脉冲能量远大于其规定值时，将发生通过陶瓷体的击穿，在极端的情况下压敏电阻爆裂；

当流通过压敏电阻过高的持续负荷时，将导致ZnO晶粒的融合，产生热击穿，压敏电阻陶瓷体的触点接通面可能因发热导致脱焊，并引起压敏电阻外层涂漆的起火。

所以在压敏电阻的应用中应考虑到爆裂及防火的意外因数，在结构上做相应的保护，防止压敏电阻失效后故障进一步扩大。

2，压敏电阻的管脚焊接应尽量短，较小其寄生电感，提高响应速度。

3，压敏电阻在缓慢过压损坏时，若电压源的能量较小，将会导致压敏电阻过热击穿，并引起明火，压敏电阻应和适合的保险丝相配合使用，当压敏电阻存在有击穿后的续流时，保险丝应起到保护的作用，防止故障进一步扩大。

对于不同直径的圆片型压敏电阻配合使用的保险容量如下表：

结构形式

φ5mm

φ7mm

φ10mm

φ14mm

φ20mm

安全额定电流（A）

≤1

≤3

≤6

≤10

≤16

放电管

放电管的特性和分类

放电管主要分为气体放电管和半导体放电管，其中气体放电管由烧结的材料不同分为玻璃气体放电管和陶瓷气体放电管，玻璃气体放电管和陶瓷气体放电管具有相同的特性。

放电管动作后只需要很低的电压即可维持其低阻状态，所以放电管属于开关型的SPD。

当正常工作时放电管上的漏电流可忽略不计；

击穿后的稳定残压低，保护效果较好；

耐流能力较大；

在使用中应注意放电管的续流作用遮断，在适当场合中应有有效的续流遮断装置。

气体放电管

气体放电管：

气体放电管由封装在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距离的两个电极组成，在玻璃管或是陶瓷管中充有惰性气体；

其电气性能主要取决于气体压力，气体种类，电极距离和电极材料；

一般密封在放电管中的气体为高纯度的惰性气体。

放电管主要由：

电极、陶瓷管（玻璃管）、导电带、电子粉、Ag-Cu焊片和惰性气体组成。

在放电管的两电极上施加电压时，由于电场作用，管内初始电子在电场作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，一旦电子达到一定能量时，它与气体分子碰撞时发生电离，即中性气体分子分离成电子和阳离子，电离出来的电子与初始电子在行进过程中还要不断地再次与气体分子碰撞发生电离，从而电子数按几何级数增加，即发生电子雪崩现象，另外，电离出来的阳离子也在电场作用下向阴极运动，与阴极表面发生碰撞，产生二次电子，二次电子也参加电离作用，一旦满足：

r（ead-1）=1时放电管由非自持放电过渡到自持放电，管内气体被击穿，放电管放电，此时放电电压称为击穿电压Vs。

放电管放电后，管子从绝缘态变为导体，管内产生电流，随着电流的增加，放电管由辉光放电变为弧光放电，而此时管压降远远小于Vs,而且其值不随电流的变化而变化，此时放电管两端只要保持很低的电压即可维持其自持放电状态，显现一种稳态，从而达到吸收过压浪涌的作用。

半导体放电管

半导体放电管和气体放电管具有相同的外在特性和保护机理。

半导体放电管由固态的四层可控硅结构组成，半导体过压保护的工作原理为：

浪涌电压超过其转折电压VBO时放电管动作，起到旁路的作用，其中半导体放电管有一个返送装置，就像一个可自动切换的开关，其电流-电压（I-V）特性曲线如图6中所示；

图6半导体放电管工作原理

图中IPP（非重复峰值脉冲电流）：

施加时不会损坏装置的特定波幅和波形的峰值脉冲电流的额定最大值；

IT（导通电流）：

在导通条件下通过装置的电流；

VT（导通电压）：

在特定电流IT的导通条件下跨过装置的电压；

IH（保持电流）：

将装置维持在导通状态所需的最小电流

IBO（转折电流）：

在转折电压VBO处的瞬态电流；

VBO（转折电压）：

当浪涌电压超过反向击穿电压VBR，即将返送时跨过装置的最大电压，此值是在特定的电压增长率和电流增长率下测量的；

VD（闭态电压）：

装置处在断开状态时两端的DC电压；

ID（泄漏电流）：

装置处在断开状态时流过的极小的电流。

半导体放电管返送装置在电压低于转折电压VBO时通常处于高阻状态。

在这个状态之前，流过装置的泄漏电流ID非常小，当电压超过VBO时，装置立刻返送而进入低阻状态，此时，跨过装置两端的电压为导通电压 

VT（约为5伏），流过装置的电流为导通电流IT，放电管保持在低阻状态，直至通过装置的电流降至低于其保持电流IH。

放电管的应用

放电管主要应用在对电压浪涌冲击比较敏感的电子电路中，和保护电路并联使用，当有电压浪涌发生时，放电管动作，放电管动作后的低阻起到旁路和保护后级电子电路的作用，应用电路图如图7。

图7放电管应用电路

因放电管属于开关型SPD，当放电管动作以后只需要极低的电压即可保持导通的状态，存在有浪涌后的续流问题。

所以在放电管在防浪涌应用中须有可靠的续流遮断器，保证浪涌过后电路正常或是自动恢复正常工作。

气体放电管在浪涌保护应用中大多和压敏电阻串联共同使用，起到响应速度快，通流量大的作用，同时压敏电阻起到浪涌过后的续流遮断的作用。

放电管在选用时候主要考虑到的参数有：

放电管的动作电压，放电管的最大承受8/20us浪涌电流；

还有就是元器件的安装和尺寸。

气体放电管和半导体放电管在外在特性参数相同时可以直接互换使用。

放电管使用中的注意事项

1，放电管属于开关型SPD，在防浪涌应用中须有续流遮断装置，保证浪涌过后电路能正常工作。

2，当瞬间通过较大的浪涌冲击电流时，放电管会出现爆裂现象，在应用中应注意。

瞬变电压抑制二极管

　　TVS管的特性

瞬变电压抑制二极管（TransientVoltageSuppressionDiode，TVS）是一种特殊的二极管雪崩器件。

其工作原理和齐纳二极管类同，特性和符号和齐纳二极管相同，所不同的是TVS具有更大面积的PN结，另外它的反向特性为典型的雪崩型，在雪崩时具有低动态阻抗和低箝位电压，当TVS的两极收到反向瞬态浪涌电压冲击时，它能以1×

10－9毫秒量级的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗，迅速吸收高达数千瓦数量级的浪涌功率，使两级间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路元器件免受各种形式的浪涌脉冲的损害。

　　TVS管的工作原理

TVS有单向和双向之分，电力线Modem芯片上一般采用双向TVS。

双向TVS的V－I特性如图8所示，TVS的电压（电流）-时间特性如图9：

对于安全预评价的内容，要注意安全预评价的目的、时间，安全预评价报告的内容等知识点。

安全评价可针对一个特定的对象，也可针对一定的区域范围。

（2）辨识和分析评价对象可能存在的各种危险、有害因素，分析危险、有害因素发生作用的途径及其变化规律。

②既包括天然的自然环境，也包括人工改造后的自然环境。

二、建设项目环境影响评价图8TVS电压-电流特性图9TVS电压（电流）-时间特性

从图8中可知，在瞬态峰值浪涌电流作用下，流过TVS的电流急剧地由原来的反向漏电流IR上升到VBR，其反向电压IR上升至击穿电压值VBR，TVS被击穿，最小击穿电压BR是TVS变成低阻抗的起始电压，也就是TVS进入雪崩的击穿电压。

随着峰值脉冲电压的出现和增长，流过TVS的电流达到最大反向峰值脉冲电流IP，其反向电压上升至箝位电压值VC，并保持在这一稳定水平上。

其后随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态。

这就是TVS抑制浪涌，保护设备的全过程。

图9是TVS的电流-时间和电压-时间曲线。

在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，而被击穿。

随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。

其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。

四、环境影响的经济损益分析TVS的主要参数

VWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压，当这个反向电压加于TVS的两极间时它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。

VBR是TVS最小的击穿电压。

在25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。

当TVS流过规定的1mA电流（IR）时，加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。

按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5％和10％两种。

对于5％的VBR来说，VWM=0.85VBR；

对于10％的VBR来说，VWM=0.81VBR。

（7）列出安全对策措施建议的依据、原则、内容。

最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。

当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。

VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。

VC与VBR之比称为箝位因子，一般在1.2~1.4之间。

电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz频率下测得的。

C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。

因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。

（3）评价单元划分应考虑安全预评价的特点，以自然条件、基本工艺条件、危险、有害因素分布及状况便于实施评价为原则进行。

PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。

在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；

在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。

另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。

而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率（持续时间与间歇时间之比）为0.01％。

如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。

TC是从零到最小击穿电压VBR的时间。

对单极性TVS小于1×

10-12s；

对双极性TVS小于10×

10-12s。

　　TVS管的选用

安全预评价方法可分为定性评价方法和定量评价方法。

TVS具有体积小，响应速度快（小于1ns），瞬态功率大，漏电流低，击穿电压小，每次经受瞬变电压和浪涌后其性能不会下降和可靠性高等特点。

另外，TVS最大优点是箝位系数小，箝位系数越小，防护瞬变电压效果越好。

TVS的缺点是耐电流量小，电容量大。

目前已广泛应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。

确定被保护电路的最大直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和最大可承受电压。

TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。

若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。

TVS的最大反向箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。

一、安全评价在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功率PM必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率。

在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。

根据用途选用TVS的极性及封装结构。

交流电路选用双极性TVS较为合理；

多线保护选用TVS阵列更为有利。

温度考虑瞬态电压抑制器可以在－55℃~＋150℃之间工作。

如果需要TVS在一个变化的温度下工作，由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大；

功耗随TVS结温增加而下降，从＋25℃到＋175℃，大约线性下降50％；

击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。

因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。

TVS管在使用中应注意的事项

对瞬变电压的吸收功率（峰值）与瞬变电压脉冲宽度间的关系。

手册给的只是特定脉宽下的吸收功率（峰值），而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。

对宽脉冲应降额使用。

对小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。

这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。

作为半导体器件的TVS管，要注意环境温度升高时的降额使用问题。

特别要注意TVS管的引线长短，以及它与被保护线路的相对距离。

当没有合适电压的TVS管供采用时，允许用多个TVS管串联使用。

串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。

而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。

TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等效电容也较小，可满足高频使用的要求。

气体放电管、半导体放电管、压敏电阻、TVS二极管的特性比较如下表：

半导体放电管

TVS二极管

保护方式

负阻

箝位

原理

固态四层可控硅结构

气体电离导电

类似雪崩二极管的混合体

雪崩二极管

响应时间

<

1ns

>

1μs

电容

50PF

1PF

500PF

最大瞬间电流（8/200）μs

3000A

20,000A

6500A

50A

最大漏电流

10μA

1PA

20μS

重复使用可靠性

无限重复使用

可能蜕化

可能损坏

主要优点

精确导通、无限重复使用、快速响应

瞬间电流最大

价廉

低电压使用、价廉

主要缺点

瞬间电流较小

响应时间缓慢

电容大、会蜕化

瞬间电流最小

防雷器

防雷器特性

防雷器为采用火花间隙（Arcchopping）工作，原理为两个形状象牛角的电极，由绝缘材料分开，彼此间有很短的距离，当两个电极间的电位差达到一定程度时，电荷将穿过两个角型的空间打火放电；

沿开口方向、在电极上面有一块熄弧板。

出现过电压时，在绝缘块的上半部进行表面放电。

剩余的电弧向外发射，并在熄弧板上碰碎。

优点：

放电能力强，通流容量大（可做到100KA以上），漏电流小；

缺点：

残压高（2～4KV），反应时间慢（≤100ns），属于开关型的SPD，有续流。