一文掌握電子電路設(shè)計中的保護器件

隨著電路板線路使用環(huán)境的日益復(fù)雜，電子設(shè)備必須承受越來越多的內(nèi)外干擾，壓敏電阻、TVS、PPTC、氣體放電管等電路保護器件的作用越來越重要，以便系統(tǒng)受到過壓、過流、過熱、浪涌、電磁干擾等情況下不受損壞。

一、主流的電路保護器件

1.1 先來看看各種保護器件的名稱

保險絲，F(xiàn)use

壓敏電阻，Metal Oxide Varistors，簡稱MOV

熱敏電阻，Thermistor

自恢復(fù)保險絲，Resettable Fuse

瞬態(tài)電壓抑制器Transient Voltage Suppressors簡稱TVS

靜電保護元件Electrostatic Discharge Protection Devices簡稱ESD

陶瓷氣體放電管Gas Discharge Tubes簡稱GDT

玻璃氣體放電管Spark Gap Protectors簡稱SPG

半導(dǎo)體放電管Thyristor Surge Suppressors簡稱TSS

1.2 ?最常用的 Fuse

保險絲（Fuse），也稱熔斷器。是放置于電路中的易于熔斷的熔絲，用于對電路起過流保護的元件器。

保險絲接入電路后，一旦電路發(fā)生過流，保險絲的溫度上升。達到一定程度后，熔絲熔斷，切斷電流，對后級電路起到保護作用。此處的“熔斷”是物理意義上的斷開，即“開路”，表現(xiàn)為電阻無窮大，電流為0。

保險絲一旦熔斷后，需更換器件電路才能正常工作。

注意這里的保險絲 Fuse 和自恢復(fù)保險絲 ResettableFuse 是性質(zhì)物理原理不同的兩種器件，只是他們的保護功能類似，所以都叫成保險絲。

1.3 壓敏電阻 MOV

MOV 壓敏電阻

英文名稱叫“Voltage DependentResistor” 簡寫為“VDR”, 或者叫做“Varistor"簡寫"VSR"。也叫做MOV(metal oxide varistors)。它的中文名稱也很多，在臺灣地區(qū)還叫做突波吸收器、浪涌抑制器、吸波器等。

MOV 一般并聯(lián)在輸入側(cè)電路中主要是起“限制電壓超高”作用。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，超過嵌位電壓后電流迅速增大（但不會短路,這點與放電管不同），從而實現(xiàn)對后級電路的保護。

壓敏電阻常常在固態(tài)繼電器電路過壓保護電路中的應(yīng)用，當(dāng)固態(tài)繼電器用于驅(qū)動感性負載時，在電源接通與斷開的瞬間會產(chǎn)生較高的浪涌電壓，為了保護SSR內(nèi)部的雙向可控硅元件不致過電壓而損壞或誤動作，可在交流輸出端并接一只壓敏電阻。

壓敏電阻的選擇，如果是220V電源，采用470V即可；如果是380V電源，選用830V的。

1.4 熱敏電阻 Thermistor

在電子元器件領(lǐng)域，約定俗成的叫法是把PTC和NTC當(dāng)作一種元器件，而非一種物理效應(yīng)。因此，PTC和NTC可以認為是正溫度系數(shù)電阻器和負溫度系數(shù)電阻器。從元器件的角度看，PTC和NTC都是熱敏電阻的一種。

?? NTC為負溫度系數(shù)熱敏電阻，即溫度越高，阻抗越小，常常串聯(lián)在主回路，對于上電瞬間做一個緩沖作用，比如串在輸入回路中限制開機浪涌電流。正常工作時發(fā)熱，電阻降低，不影響工作，但是它是消耗能量的，功耗不能忽略。

為了避免電子電路中在開機的瞬間產(chǎn)生的浪涌電流, 在電源電路中串接一個功率型NTC 熱敏電阻器,能有效地抑制開機時的浪涌電流,并且在完成抑制浪涌電流作用以后,由于通過其的額定持續(xù)電流很小,功率型NTC熱敏電阻器的電阻值將下降到非常小的程度,它消耗的功率可以忽略不計,不會對正常的工作電流造成影響,所以,在電源回路中使用功率型NTC熱敏電阻器,是抑制開機時的浪涌, 以保證電子設(shè)備免遭破壞的最為簡便而有效的施。

沒通電時,NTC的阻值高,一通電霎那,阻值仍高,限制了涌流,隨著NTC有電流流過,溫度增加,阻值下降到很低,可以忽略.正常工作時,電流小,阻值就小,那么突然來一個浪涌電流,或者電路那段路使得電流增大,那就起不了保護作用了。

例如電源短路了,由于NTC已經(jīng)導(dǎo)通了,對它也無能為力,只有靠保險絲起作用.記住NTC只是起開機保護的就可以了.試想若電路已經(jīng)正常上電,NTC已低阻,這時遭遇高壓NTC是無能為力的。

在電源正常工作一段時間后,再進行頻繁開關(guān)機,會對電源造成傷害的,因為這時由于NTC的溫度上升,阻值下降,對浪涌的抑制能力已經(jīng)極其有限了。

所以采用NTC抑制開機浪涌的電源設(shè)備,不能夠頻繁的開關(guān)機.需要等NTC冷卻,恢復(fù)至其冷態(tài)阻值后,才能再次開機.要不,安裝NTC的意義就沒有了。

?? PTC為正溫度系數(shù)熱敏電阻即溫度越高，阻抗越大，常常串聯(lián)在主回路中使用，屬于電流保護性的。

這里的 PTC 根據(jù)材料的不同又分為兩類，分別是 PPTC 和 CPTC。

聚合物PPTC由高分子聚合物摻入碳粉經(jīng)擠壓成形。碳粉形成碳鏈導(dǎo)電，受熱時聚合物膨脹，碳鏈斷裂形成高阻。而陶瓷CPTC是由具有正溫度系數(shù)特性的鈦酸鋇粉末經(jīng)電子陶瓷工藝高溫?zé)Y(jié)而成。其共同之處在于可恢復(fù)性。

聚合物PPTC的主要優(yōu)點為：常溫零功率電阻可以做得很小，大電流產(chǎn)品只有幾個毫歐姆，在電路中功耗較小，可以忽略不計、體積相對較小?？纱?lián)在易損電路內(nèi)作過流保護、溫度保險絲用，阻值突變速度快，在幾個ms數(shù)量級，熱容小，恢復(fù)時間短，耐沖擊，可循環(huán)保護達8000次之多。PPTC可以用作過溫度保險絲用，因此在電路中在一定程度上體現(xiàn)出了溫度保險絲性能和溫度保險絲作用。達到在電路中實現(xiàn)過流保護和過溫保護的雙重保護功能。

陶瓷CPTC的主要優(yōu)點為：制造容易，相對價格便宜，但電阻大、體積大、在電路中損耗大，有幾十至幾千Ω范圍，適宜用作小電流過流保護，高溫過熱時易出現(xiàn)負阻效應(yīng)（阻值變小）、保護速度慢，在上百ms的數(shù)量級、熱容大，恢復(fù)時間長。應(yīng)用范圍相對較窄，如不能應(yīng)用于快速保護的電路、汽車線束保護、PCB線跡保護等，多應(yīng)用于發(fā)熱器件、在某些小信號回路，不需要考慮損耗的地方可以選用。

PPTC（高分子正溫度系數(shù)熱敏電阻）與CPTC（陶瓷正溫度系數(shù)熱敏電阻）的不同在于元件的初始阻值、動作時間以及尺寸大小的差別。在相同維持電流的高分子PTC熱敏電阻與陶瓷PTC熱敏電阻相比，高分子PTC熱敏電阻尺寸更小、阻值更低，同時反應(yīng)更快。

二、按照器件的保護類型分類

按照保護類型，保護器件可分為三大類：

鉗位型（TVS、ESD、MOV）

開關(guān)型（GDT、SPG、TSS）

過電流型（PPTC）

▲ 不同類型器件的保護動作電流和動作時間分布

2.1 箝位型過電壓保護器件

箝位型過電壓保護器件為電壓控制型器件。在電壓達到擊穿電壓時，器件的電阻瞬間減小為低阻抗，泄放大浪涌電流，從而將浪涌電壓限制在一個較低的水平。導(dǎo)通后，器件的箝位電壓會高于擊穿電壓，器件兩端的箝位電壓與瞬間通過的浪涌電流大小成正比關(guān)系。

箝位型過電壓保護器件常應(yīng)用于電源線、低頻通信線路的過電壓防護，代表產(chǎn)品有：瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、靜電保護（ESD）元件。

▲?不同保護器件的伏安特性曲線

TVS管是瞬態(tài)電壓抑制器的簡稱。它的特點是：響應(yīng)速度特別快（為ns級），耐浪涌沖擊能力較放電管和壓敏電阻差。

當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10的負12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

壓敏電阻：比如一個“標(biāo)稱300V”的壓敏電阻在 220V的工作中,突然220V上升到310V這時壓敏電阻被擊穿,通過很大的電流, 熔斷了保險絲后,就保護了后面的電路,然后壓敏電阻又恢復(fù)了原來的狀態(tài).

TVS管和壓敏電阻比較：TVS管和壓敏電阻都靠改變自身的阻擾特性來進行靜電放電，瞬態(tài)電壓和浪涌電壓的控制，而主要差異是導(dǎo)通后的阻擾，TVS有高靈敏度的N/P結(jié)進行控制，其導(dǎo)通阻擾很低，而MOV的導(dǎo)通阻擾要比TVS高出許多，從而導(dǎo)致箝位電壓、箝位比率的差異。TVS管主要用于低電壓電路，而壓敏電阻主要用于高壓電路中。

ESD 則是通過瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）陣列封裝后，成為瞬態(tài)抑制二極管陣列（TVS Array）。

從工藝上看，ESD是將多個TVS晶?；蚨O管采用不同的布局做成具有特定功能的多路或單路ESD保護器件，主要應(yīng)用于各類通信接口ESD保護，如USB、HDMI、RS485、RS232、VGA、RJ11、RJ45、BNC、SIM卡、SD卡等。

ESD器件封裝多樣化，從單路的DFN0201到多路的SOIC-16、QFN-10等，電路設(shè)計工程師可以根據(jù)電路板布局及接口類型選擇不同封裝的ESD器件。

2.2 過流型保護器件（PPTC）

PPTC（Polymer Positive Temperature Coefficient）是用聚合物制作的可反復(fù)應(yīng)用的正溫度系數(shù)熱敏電阻。PPTC屬于過電流型保護器件，常應(yīng)用于小電流輸入的電源線過電流保護，或兩級過電壓保護器件之間做退耦等。

當(dāng)有異常過電流通過時，PPTC產(chǎn)生的熱量（為I2R）使聚合物基體膨脹，包裹在聚合物基體外的碳黑粒子會分開從而切斷PPTC的導(dǎo)電通道使PPTC電阻將上升，從而減小異常過電流。當(dāng)異常過電流故障清除后，PPTC聚合物分子收縮至原來的形狀重新將碳黑粒子連接起來，導(dǎo)電通道會恢復(fù)，PPTC電阻又恢復(fù)到原來的低阻狀態(tài)。上述過程可循環(huán)多次。

PPTC最大的特點就是在其額定使用范圍內(nèi)，在每次電流故障后不需要更換，可反復(fù)多次應(yīng)用于過電流保護，可有效節(jié)約維修時間及成本。PPTC選型注意以下參數(shù)：

維持電流Ihold：自恢復(fù)保險絲的維持電流應(yīng)大于線路的正常工作電流，否則會影響線路正常工作。

最大耐壓Vmax：應(yīng)大于線路的工作電壓，否則容易導(dǎo)致PPTC失效。

環(huán)境溫度：PPTC對環(huán)境溫度較敏感，應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度降額選取PPTC的維持電流。當(dāng)環(huán)境溫度大于85℃時，不建議使用PPTC。

PPTC-正溫度系數(shù)熱敏電阻的相關(guān)參數(shù)詳解

2.3 開關(guān)型過電壓保護器件

對于開關(guān)型過電壓保護器件，當(dāng)電壓達到擊穿電壓后，其電阻瞬間減小為低阻態(tài)，泄放浪涌電流，并將浪涌電壓限制在一個較低的水平。

開關(guān)型過電壓保護器件的特點是器件導(dǎo)通后其兩端的電壓會低于器件的擊穿電壓，常用于通信系統(tǒng)高頻信號線浪涌防護，主要有陶瓷氣體放電管（GDT）、玻璃氣體放電管（SPG）、半導(dǎo)體放電管（TSS）。

陶瓷氣體放電管（Gas Discharge Tubes, GDT）由封裝在充滿惰性氣體的陶瓷管中具有一個或一個以上的放電間隙組成。

GDT電氣性能取決于氣體種類、氣體壓力、內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)、制作工藝等因素。GDT可以承受高達數(shù)十甚至數(shù)百千安培的浪涌電流沖擊，具有極低的結(jié)電容，應(yīng)用于保護電子設(shè)備和人身免遭瞬態(tài)高電壓的危害。

玻璃氣體放電管（Spark Gap Protectors, SPG）也稱強效氣體放電管，通過電極之間的距離獲得放電微隙，管內(nèi)充有隋性氣體，用玻璃管和杜鎂絲線玻封而成。

當(dāng)SPG兩端電壓增高時，附近氣體被電離，微隙處開始出現(xiàn)放電現(xiàn)象。隨著兩極壓降逐漸增大，放電電流也隨之增大，其電離區(qū)隨之?dāng)U大，此時放電電流經(jīng)氣體電離區(qū)流向另一極，當(dāng)電流繼續(xù)增加到一定程度時，管內(nèi)出現(xiàn)從輝光放電向弧光放電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)品由高阻狀態(tài)進入低阻狀態(tài)，SPG兩端的電壓也隨之減小，從而對后面的電路起到保護作用，在異常電壓消失后，產(chǎn)品又恢復(fù)到高阻狀態(tài)。

玻璃氣體放電管主要考慮4個參數(shù)：

1、直流擊穿電壓：在應(yīng)用中，放電管的直流擊穿電壓下限值應(yīng)高于線路的最大正常工作電壓，否則會影響電路正常工作。

2、脈沖擊穿電壓：要確保器件脈沖擊穿電壓值低于后級被保護線路所能承受的最高瞬時電壓值。

3、標(biāo)稱放電電流：根據(jù)應(yīng)用場合及線路中可能出現(xiàn)的沖擊電流強度，確定所選用放電管必須達到的耐沖擊電流強度。

4、續(xù)流問題：電壓較高的有源電路不能單獨使用氣體放電管作為過電壓保護器件。為了使放電管能正常熄弧，在有可能出現(xiàn)續(xù)流的地方，可在放電管上串聯(lián)壓敏電阻或自恢復(fù)保險絲等限流器件。

TSS半導(dǎo)體放電管是一種電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管，即涌壓抑制晶體管，或稱為導(dǎo)體放電管、固體放電管等。

它擁有的屬性大致有以下幾點：

1. 擊穿前，電阻大，幾乎沒有漏電流；擊穿后，可通過大電流，降壓??；

2. 具有納秒級別的響應(yīng)速度；

3. 在標(biāo)準(zhǔn)波形下，它的通流量可以達到上百安培；

4. 有雙向?qū)ΨQ的特性；

5.它的擊穿電壓較高；

6. 封裝形式多樣，種類豐富，有插件、貼片以及陣列式；

7. 結(jié)電容挺大的，大多在幾十至幾百pF；

8. 它的漏電流較低，低至1μA以下；

TSS管是利用半導(dǎo)體工藝制成的保護器件，其通流容量一般最高可達150A(8/20uS)。

TSS管和TVS管是利用半導(dǎo)體技術(shù)制作的限壓保護器件，TSS管是電壓開關(guān)型的。TVS是電壓鉗型的，需注意TSS管不能用在電源端口。

TSS管在響應(yīng)時間、結(jié)電容量方面具有與TVS管相同的特征。容易制作表貼裝置，適用于單板，TSS管動作后，將過電壓從破壞電壓值附近下降到接近0V的水平。此時由于二極管的結(jié)壓降小，因此用于保護信號電平高的線路(例如模擬用戶線路、ADSL等)時的通信量比TVS管大，保護效果也比TVS管好。TSS管適用于保護信號電平高的信號線路。

使用TSS管時應(yīng)注意的問題是，TSS管在過電壓下破壞后，流過TSS管的電流值下降到臨界值以下后，TSS管恢復(fù)開路狀態(tài)，因此TSS管在信號線路中使用時，信號線路的常態(tài)電流應(yīng)小于TSS管的臨界恢復(fù)電流。根據(jù)TSS管的型號和設(shè)計應(yīng)用場合的不同，臨界恢復(fù)電流值也有所不同，使用時應(yīng)注意在設(shè)備手冊中查明所用特定型號的確切值。

TSS管的破壞電壓（min(UBR)）、通流容量是電路設(shè)計時應(yīng)重點考慮的。在信號電路中，min(UBR)≥(1.2~1.5)Umax，式中Umax是信號電路的峰值電壓。

TSS管較多應(yīng)用于信號線路的防雷保護。TSS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過的過電流太大時，也可能造成TSS管被炸裂而開路。TSS管的使用壽命相對較長。

2.4 過電壓防護器件性能比較

GDT結(jié)電容低，絕緣阻抗大，是通流量最大的器件，可做到100kA（8/20μs）。

GDT的導(dǎo)通為氣體電離形成導(dǎo)電通道，需要較大的能量去激發(fā)它，有一個能量累積的過程，所以GDT的響應(yīng)時間是所有過電壓保護器件中最慢的一個。

GDT可用于高速通信線路防雷保護，如同軸電纜，電話線接口，高清視頻接口、以太網(wǎng)口等。

MOV的通流量僅次于GDT，響應(yīng)速度為納秒級，廣泛應(yīng)用于交流電源線，低頻信號線的防雷保護。

使用中，由于GDT和SPG具有較大的絕緣阻抗，在AC輸入端，常常和MOV串聯(lián)到共模地來應(yīng)用，以減緩MOV的老化。

hyperfix為超大功率TVS，采用大面積芯片疊加制成，比普通的TVS功率大幾十甚至幾百倍，可直接替代MOV應(yīng)用于交流輸入端口的第一級防雷保護。hyperfix具有通流量大、響應(yīng)速度快、無老化、箝位電壓低等優(yōu)點，適用于對防護器件要求較高的應(yīng)用場合，如通信電源、飛機、機車等領(lǐng)域。

TSS在上文提到，它作為一種具有負阻特性的浪涌保護器件，由于其特殊的PNPN結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計，在相同的芯片面積上，TSS可以做到比同尺寸及電壓的TVS通流量大幾倍，而電容比同規(guī)格的TVS小幾倍，可以用于一些通信線路的浪涌保護，如RS485、RS232、CAN總線等。TSS具有較高的性價比，是低速通信線路浪涌防護的理想選擇。

TVS一般采用貼片或插件封裝，體積較小，常應(yīng)用于直流電源線或低速通信線路的浪涌防護。ESD由多個二極管或TVS組合而成，導(dǎo)通時間較TVS慢一些，芯片晶粒面積也較小，可以做到小型微型化封裝，結(jié)電容最小可以做到零點幾個pf，適用于高速數(shù)據(jù)線路的ESD防護，如HDMI、USB3.0、IEEE1394等。

除了上述三大類器件，同時，還應(yīng)考慮一些新型的保護產(chǎn)品，如貼片壓敏電阻（Multi-Layer Ceramic chip Varistor，MLCV），這是一種利用氧化鋅陶瓷制作的類似MLCC結(jié)構(gòu)的多層片式陶瓷電壓敏感電阻器，具有靜電抑制型、常規(guī)過壓保護型、高能型和高壓型三種類型，常用于高速傳輸接口保護。