幾種常見涌浪保護元件介紹及其工作原理

對于許多電路來說，涌浪電壓會導(dǎo)致電路系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此透過涌浪保護電路來，維持電路的耐受穩(wěn)定性。國際安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000訂定了對于電子產(chǎn)品的抗擾度要求，其中IEC 61000-4-5 雷擊突波耐受是針對產(chǎn)品由于瞬間開關(guān)或閃電瞬變引起的過電壓，定義了幾個不同的測試級別以適用于不同環(huán)境。本文將討論幾種能用于抑制涌浪電壓的方式，并比較其保護效能。

1. 緒論

涌浪就是瞬間出現(xiàn)超出正常工作電壓的峰值，又稱為突波。產(chǎn)生原因大多發(fā)生在電源啟動、大負(fù)載起斷、雷擊等等。在電源啟動時，系統(tǒng)大電流對電容由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的電流即是涌浪電流，此電流會減少電路元件的壽命且造成電路誤動作。

國際安規(guī)IEC針對涌浪抗擾度規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)，以下將介紹涌浪電壓相關(guān)的法規(guī)以及防止涌浪電壓傷害的保護方法。

涌浪抗擾度試驗

電子產(chǎn)品對于涌浪抗擾度試驗的要求都不盡相同，但試驗標(biāo)準(zhǔn)大多引用國際安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-5，其規(guī)定涌浪抗擾度要求、試驗方法、試驗等級等等。這項法規(guī)為評估電子設(shè)備在遭受涌浪沖擊時的抗擾度建立一個共同參考的標(biāo)準(zhǔn)，具體分級如表1所示。依照不同產(chǎn)品法規(guī)采用不同測試規(guī)格，其中X為開放等級，通常為制造商為增強其產(chǎn)品的抗擾能力，或為在較嚴(yán)苛的環(huán)境使用進而加嚴(yán)測試條件。

保護方式

瞬態(tài)電壓抑制二極體是一種限壓型的過壓保護元件，與需要保護的電路并聯(lián)。它能吸收涌浪功率，并以極快的速度抑制涌浪電壓在合理范圍內(nèi)并保護后端電路，作用類似于齊納二極體。其優(yōu)點包括體積小、反應(yīng)速度快、工作電壓低等，但由于可容許的峰值電流較低，會再串聯(lián)限流元件，例如電阻和保險絲等，如圖1所示。當(dāng)涌浪電壓擊穿瞬態(tài)電壓抑制二極體時帶來的高電流會燒毀保險絲以達保護后級電路之目的。

市面上常見的涌浪保護元件有瞬態(tài)電壓抑制二極體、壓敏電阻、陶瓷氣體放電管等等，每種都各有適應(yīng)的場合，以下介紹上述的保護元件，并分析其特點。

2. 瞬態(tài)電壓抑制二極體

涌浪保護電路大都使用兩種方式實現(xiàn)，其中一種方式是采用光耦合方式將輸入與輸出信號隔離開來，只要涌浪電壓不超過光耦合的限制范圍，即不會對后端設(shè)備造成損壞；另一種方式是將主要設(shè)備的地連接在一起形成單點接地，并使用適當(dāng)?shù)挠坷吮Ｗo元件，如瞬態(tài)電壓抑制二極體、壓敏電阻等等元件，以下將介紹單點接地方法中常使用的涌浪保護元件。

瞬態(tài)電壓抑制二極體

瞬態(tài)電壓抑制二極體是一種限壓型的過壓保護元件，與需要保護的電路并聯(lián)。它能吸收涌浪功率，并以極快的速度抑制涌浪電壓在合理范圍內(nèi)并保護后端電路，作用類似于齊納二極體。其優(yōu)點包括體積小、反應(yīng)速度快、工作電壓低等，但由于可容許的峰值電流較低，會再串聯(lián)限流元件，例如電阻和保險絲等，如

圖1 所示。當(dāng)涌浪電壓擊穿瞬態(tài)電壓抑制二極體時帶來的高電流會燒毀保險絲以達保護后級電路之目的。

壓敏電阻

壓敏電阻，又稱突波吸收器，是一種具非歐姆導(dǎo)體性質(zhì)的電子元件，其電阻值隨著不同外在電壓而改變。使用上會與需要保護的的電路并聯(lián)。當(dāng)未有瞬間突波電壓時，壓敏電阻兩端具有極高的電阻值，故不影響原本電路的特性，但當(dāng)瞬間突波電壓出現(xiàn)，壓敏電阻的電阻會降至極低，壓敏電阻兩端短路而將分流突波電流，達到保護電路的作用。壓敏電阻的預(yù)期壽命較短，在承受多次沖擊后會破壞結(jié)構(gòu)使閥值電壓降低、漏電流上升，最終導(dǎo)致發(fā)熱并失效，因此在使用上會串聯(lián)保險絲，如圖2所示。

陶瓷氣體放電管

防突波電壓設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的一種保護元件，其原理是當(dāng)陶瓷氣體放電管兩端電壓過高而達到使惰性氣體放電管內(nèi)的氣體擊穿時，惰性氣體放電管開始放電，使陶瓷氣體放電管兩端阻抗變極小，使涌浪電壓迅速短路至地，而保護后端電路，其缺點是觸發(fā)時間較長和導(dǎo)通后存在續(xù)流問題，因此需結(jié)合額外的輔助電路來抑制后續(xù)電流，如圖3就是透過保險絲來防止后續(xù)電流過大造成線路短路。

LC濾波器

LC濾波電路常使用在EMS的抑制上，透過電容與電感頻率特性，但它有濾波指定頻率的效果和避免高頻瞬變電壓上升與下降的問題。若結(jié)合其他保護元件更有涌浪沖擊保護的效果。圖4是結(jié)合LC濾波器的電路圖。濾波器的單一電容容值越大，漏電流也越大，必要時能采取多個電容并聯(lián)來達到一樣的效果。

將上述的各種涌浪保護元件整理并比較，如表2.

3. 復(fù)合應(yīng)用

若只使用單一種保護元件將無法達到良好的防護效果，因此在使用上常常會結(jié)合多種不同的保護元件以符合不同程度的突波測試標(biāo)準(zhǔn)，以下將介紹幾種常見的組合方式。

陶瓷氣體放電管與瞬態(tài)電壓抑制二極體

由于陶瓷氣體放電管的反應(yīng)時間較慢，瞬態(tài)突波發(fā)生時可能會來不及反應(yīng)，這時突波就可能傷害到后級電路，因此使用去耦電感作為緩沖元件才能保證陶瓷氣體放電管先動作，殘余能量再由第二級防護的瞬態(tài)電壓抑制二極體抑制，以避免元件損壞，如圖5所示。

由于陶瓷氣體放電管的導(dǎo)通電壓極低，而且有續(xù)流問題，不能直接使用在交流電源防護口，使用上應(yīng)串聯(lián)如壓敏電阻等元件，如

圖6 所示。

壓敏電阻與瞬態(tài)電壓抑制二極體

使用壓敏電阻的方式，較適合使用在低瞬態(tài)電壓的條件，如圖7所示。

另外并聯(lián)電容來提升電路吸收涌浪電壓的能力，如

圖8 所示。

瞬態(tài)電壓抑制二極體與LC濾波器

當(dāng)電路承受的涌浪沖擊較低時，可以采用瞬態(tài)抑制二極體配合LC濾波器，不僅可更有效緩和輸出兩端電壓變動，還能抑制低頻雜訊。使具體電路如圖9所示。

結(jié)論

本文討論了幾種常見的涌浪保護元件，并簡單介紹其運作原理。單一的保護元件并不能完全防護涌浪電壓帶來的損壞，依照不同元件的特性，組合出更加完善的保護電路，方能通過不同電壓雷擊耐受測試標(biāo)準(zhǔn)。

表2 涌浪保護元件特性表