干貨 | 電路保護三種常見防護器件對比

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2021年5月13日 10:49

電路保護主要有兩種形式：過壓保護和過流保護。選擇適當的電路保護器件是實現高效、可靠電路保護設計的關鍵，涉及到電路保護器件的選型，我們就必須要知道各電路保護器件的作用。在選擇電路保護器件的時候我們要知道保護電路不應干擾受保護電路的正常行為，此外，其還必須防止任何電壓瞬態造成整個系統的重復性或非重復性的不穩定行為。

電路保護最常見的器件有三：GDT、MOV和TVS。

GDT陶瓷氣體放電管

在正常的工作條件下，一只GDT的并聯阻抗約為1TΩ ，并聯電容為1pF以下。當施加在GDT兩端的電勢低于氣體電離電壓(即“輝光”電壓)時，GDT的小漏電流(典型值小于1 pA)和小電容幾乎不發生變化。一旦GDT達到輝光電壓，其并聯阻抗將急劇下降，從而電流流過氣體。不斷增加的電流使大量氣體形成等離子體，等離子體又使該器件上的電壓進一步降低至15V左右。當瞬變源不再繼續提供等離子電流時，等離子體就自動消失。GDT的凈效果是一種消弧作用，它能在1ms內將瞬變事件期間的電壓限制在大約15V以下。GDT的一個主要優點是迫使大部分能量消耗在瞬變的源阻抗中，而不是消耗在保護器件或被保護的電路中。GDT的觸發電壓由信號電壓的上升速率(dV/dt)、GDT的電極間隔、氣體類型以及氣體壓力共同確定。該器件可以承受高達20 kA的電流。

GDT有單極和三極兩種形式。三極GDT是一個看似簡單的器件，能在大難臨頭的關鍵時刻保持一個差分線對的平衡：少許的不對稱可以使瞬變脈沖優先耦合到平衡饋線的某一側，因而產生一個巨大的差分信號。即使瞬變事件對稱地發生在平衡饋線上，兩個保護器件響應特性的微小差別也會使一個破壞性的脈沖振幅出現在系統的輸入端上。三極GDT在一個具有共用氣體容積的管內提供一個差分器件和兩個并聯器件。造成一對電極導通的任何條件都會使所有三個電極之間導通，因為氣體的狀態(絕緣狀態、電離狀態或等離子狀態)決定了放電管的行為。

MOV壓敏電阻

它是一種是隨電壓而變化的非線性電阻器。燒結的金屬氧化物形成一種猶如兩個背對背串接的齊納二極管的結構。在正常工作情況下，MOV的典型漏電流為10 mA量級，并聯電容約為45 pF。電壓升高到超過MOV閾值，就會使其中一個分布式齊納二極管產生雪崩，因而使該器件對被保護的節點進行箝位。不斷增加的電流最終使器件兩端的電壓上升——這是大多數批量材料都有的一個限制因素。

作為一種箝位器件，MOV能大量吸引瞬變能量，而氣體放電管則將瞬變能量耗散在瞬變源阻抗以及瞬變源與被保護節點之間的電阻中。在容許MOV的漏電和并聯電容的應用場合(如電源、POTS和工業傳感器)，MOV可配合GDT，對閃電引起的瞬變進行良好的二次防護，因為MOV的觸發速度要比氣體等離子體避雷器快一個數量級。反復出現的過熱應力的累積會使MOV過熱，降低其性能。因此，務必仔細分析你打算支持的瞬變規范，確定你要求MOV吸收的總能量和最壞情況下的瞬變重復率，保守地制定器件的規格。

TVS瞬變電壓抑制器

一個TVS的并聯電容通常只有幾十皮法，但有些新的TVS的并聯電容增加了不到10 pF。電壓最低的TVS，其漏電流往往為100mA以上，而工作電壓為12V以上的TVS，其漏電流則為5mA以下。

當前TVS的發展趨勢是提高集成度，支持高密度便攜設備。在芯片尺寸封裝中包含多個器件，使節點間隙更好地匹配被保護的IC或接口連接器。集成的TVS與EMI濾波器可在一個封裝內完成兩個關鍵任務，并可簡化通過I/O口布放總線的工作。多個TVS封裝因其小巧而成為高密度組件中最常見的保護器件。

GDT/MOV/TVS的比較

壓敏電阻的響應時間為ns級，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護其響應速度可以滿足要求。壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千Pf的數量級范圍，很多情況下不宜直接應用在高頻信號線路的保護中，應用在交流電路的保護中時，因為其結電容較大會增加漏電流，在設計防護電路時需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。具體可分為以下四點：

在反應時間上，壓敏電阻介于TVS管和氣體放電管之間，TVS管為皮秒級，壓敏電阻略慢，為納秒級;而氣體放電管最慢，通常為幾十個納秒甚至更多。

在通流容量上，壓敏電同樣介于TVS管和氣體放電管之間，TVS管通常只有幾百A;而壓敏電阻按不同規格，可通過數KA到數十KA的單次8/20μS浪涌電流;而對于氣體放電管來說通常10KA級別8/20μS浪涌電流可導通數百次。

從原理上看，TVS管基于二極管雪崩效應;壓敏電阻器基于氧化鋅晶粒間的勢壘作用;而氣體放電管則是基于氣體擊穿放電。

在電壓范圍方面，TVS管通常為5.5V到550V;壓敏電阻的范圍較寬，可從10V到9000V;而氣體放電管可從75V到3500V。

這三種器件各有各的絕技，如何選擇，就看你想要防止的損害是什么了，而且在具體的防護方案設計時，并沒有規定說只能選擇一種防護器件。FAE工程師完全可以根據實際的防護應用，將這三大主力電路保護器件組合使用，相信其疊加的防護能力一定優于單獨使用的防護等級。舉個例子：在電源系統的防雷保護電路中，采用壓敏電阻與陶瓷氣體放電管配合使用的方案很多，特別是在鐵路、通信系統已被廣泛使用。壓敏電阻與陶瓷氣體放電管配合使用的保護電路盡管有許多優點，例如：降低殘壓、控制壓敏電阻的劣化等，但在使用過程中如果電路設計或元件選型存在問題，可能會導致保護電路出現燃燒、爆炸等故障，影響系統的正常運行，因此在選型環節，工程師一定要進行多次模擬測試，從而實現防護方案的可靠性和實用性。