一文掌握電子電路設(shè)計(jì)中的保護(hù)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(hù)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(hù)器件

1.1 先來看看各種保護(hù)器件的名稱

保險(xiǎn)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(xiǎn)絲，Resettable Fuse

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

靜電保護(hù)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(xiǎn)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(hù)的元件器。

保險(xiǎn)絲接入電路后，一旦電路發(fā)生過流，保險(xiǎn)絲的溫度上升。達(dá)到一定程度后，熔絲熔斷，切斷電流，對后級電路起到保護(hù)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(xiǎn)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(xiǎn)絲 Fuse 和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲 ResettableFuse 是性質(zhì)物理原理不同的兩種器件，只是他們的保護(hù)功能類似，所以都叫成保險(xiǎn)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(tái)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(huì)短路,這點(diǎn)與放電管不同），從而實(shí)現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。

壓敏電阻常常在固態(tài)繼電器電路過壓保護(hù)電路中的應(yīng)用，當(dāng)固態(tài)繼電器用于驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，在電源接通與斷開的瞬間會(huì)產(chǎn)生較高的浪涌電壓，為了保護(hù)SSR內(nèi)部的雙向可控硅元件不致過電壓而損壞或誤動(dòng)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(rèn)為是正溫度系數(shù)電阻器和負(fù)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(fù)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(gè)緩沖作用，比如串在輸入回路中限制開機(jī)浪涌電流。正常工作時(shí)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(jī)的瞬間產(chǎn)生的浪涌電流, 在電源電路中串接一個(gè)功率型NTC 熱敏電阻器,能有效地抑制開機(jī)時(shí)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(jì),不會(huì)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(jī)時(shí)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(shí),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(shí),電流小,阻值就小,那么突然來一個(gè)浪涌電流,或者電路那段路使得電流增大,那就起不了保護(hù)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(xiǎn)絲起作用.記住NTC只是起開機(jī)保護(hù)的就可以了.試想若電路已經(jīng)正常上電,NTC已低阻,這時(shí)遭遇高壓NTC是無能為力的。

在電源正常工作一段時(shí)間后,再進(jìn)行頻繁開關(guān)機(jī),會(huì)對電源造成傷害的,因?yàn)檫@時(shí)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(jī)浪涌的電源設(shè)備,不能夠頻繁的開關(guān)機(jī).需要等NTC冷卻,恢復(fù)至其冷態(tài)阻值后,才能再次開機(jī).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(hù)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(shí)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(diǎn)為：常溫零功率電阻可以做得很小，大電流產(chǎn)品只有幾個(gè)毫歐姆，在電路中功耗較小，可以忽略不計(jì)、體積相對較小。可串聯(lián)在易損電路內(nèi)作過流保護(hù)、溫度保險(xiǎn)絲用，阻值突變速度快，在幾個(gè)ms數(shù)量級，熱容小，恢復(fù)時(shí)間短，耐沖擊，可循環(huán)保護(hù)達(dá)8000次之多。PPTC可以用作過溫度保險(xiǎn)絲用，因此在電路中在一定程度上體現(xiàn)出了溫度保險(xiǎn)絲性能和溫度保險(xiǎn)絲作用。達(dá)到在電路中實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)和過溫保護(hù)的雙重保護(hù)功能。

陶瓷CPTC的主要優(yōu)點(diǎn)為：制造容易，相對價(jià)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(hù)，高溫過熱時(shí)易出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)（阻值變小）、保護(hù)速度慢，在上百ms的數(shù)量級、熱容大，恢復(fù)時(shí)間長。應(yīng)用范圍相對較窄，如不能應(yīng)用于快速保護(hù)的電路、汽車線束保護(hù)、PCB線跡保護(hù)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(dòng)作時(shí)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(shí)反應(yīng)更快。

二、按照器件的保護(hù)類型分類

按照保護(hù)類型，保護(hù)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(hù)動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間分布

2.1 箝位型過電壓保護(hù)器件

箝位型過電壓保護(hù)器件為電壓控制型器件。在電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，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(gè)較低的水平。導(dǎo)通后，器件的箝位電壓會(huì)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(hù)器件常應(yīng)用于電源線、低頻通信線路的過電壓防護(hù)，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(hù)（ESD）元件。

▲?不同保護(hù)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(diǎn)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(shí)，它能以10的負(fù)12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)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(gè)“標(biāo)稱300V”的壓敏電阻在 220V的工作中,突然220V上升到310V這時(shí)壓敏電阻被擊穿,通過很大的電流, 熔斷了保險(xiǎn)絲后,就保護(hù)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(jìn)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(jìn)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(gè)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(hù)器件，主要應(yīng)用于各類通信接口ESD保護(hù)，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(jì)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(hù)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(hù)器件，常應(yīng)用于小電流輸入的電源線過電流保護(hù)，或兩級過電壓保護(hù)器件之間做退耦等。

當(dāng)有異常過電流通過時(shí)，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(huì)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(huì)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(diǎn)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(hù)，可有效節(jié)約維修時(shí)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(xiǎn)絲的維持電流應(yīng)大于線路的正常工作電流，否則會(huì)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(shí)，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(hù)器件

對于開關(guān)型過電壓保護(hù)器件，當(dāng)電壓達(dá)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(gè)較低的水平。

開關(guān)型過電壓保護(hù)器件的特點(diǎn)是器件導(dǎo)通后其兩端的電壓會(huì)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(hù)，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(gè)或一個(gè)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(dá)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(hù)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(qiáng)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(jìn)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(hù)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(gè)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(huì)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(hù)線路所能承受的最高瞬時(shí)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(qiáng)度，確定所選用放電管必須達(dá)到的耐沖擊電流強(qiáng)度。

4、續(xù)流問題：電壓較高的有源電路不能單獨(dú)使用氣體放電管作為過電壓保護(hù)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(xiǎn)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(diǎn)：

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(dá)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(hù)器件，其通流容量一般最高可達(dá)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(hù)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(shí)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(dòng)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(shí)由于二極管的結(jié)壓降小，因此用于保護(hù)信號電平高的線路(例如模擬用戶線路、ADSL等)時(shí)的通信量比TVS管大，保護(hù)效果也比TVS管好。TSS管適用于保護(hù)信號電平高的信號線路。

使用TSS管時(shí)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(shí)，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(jì)應(yīng)用場合的不同，臨界恢復(fù)電流值也有所不同，使用時(shí)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(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)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(hù)。TSS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過的過電流太大時(shí)，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(hù)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(gè)能量累積的過程，所以GDT的響應(yīng)時(shí)間是所有過電壓保護(hù)器件中最慢的一個(gè)。

GDT可用于高速通信線路防雷保護(hù)，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(hù)。

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(hù)。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(diǎn)，適用于對防護(hù)器件要求較高的應(yīng)用場合，如通信電源、飛機(jī)、機(jī)車等領(lǐng)域。

TSS在上文提到，它作為一種具有負(fù)阻特性的浪涌保護(hù)器件，由于其特殊的PNPN結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(hù)，如RS485、RS232、CAN總線等。TSS具有較高的性價(jià)比，是低速通信線路浪涌防護(hù)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(hù)。ESD由多個(gè)二極管或TVS組合而成，導(dǎo)通時(shí)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(diǎn)幾個(gè)pf，適用于高速數(shù)據(jù)線路的ESD防護(hù)，如HDMI、USB3.0、IEEE1394等。

除了上述三大類器件，同時(shí)，還應(yīng)考慮一些新型的保護(hù)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(hù)型、高能型和高壓型三種類型，常用于高速傳輸接口保護(hù)。