【導讀】隨著社會的不斷進步，物聯網的發(fā)展，電子產品的室外應用場景，持續(xù)高增長，電子產品得到了極其廣泛的應用，無論是公共事業(yè)，還是商用或者民用， 已經深入到各個領域，這也造成了產品功能的多樣化、應用環(huán)境的復雜化。
隨著社會的不斷進步，物聯網的發(fā)展，電子產品的室外應用場景，持續(xù)高增長，電子產品得到了極其廣泛的應用，無論是公共事業(yè)，還是商用或者民用， 已經深入到各個領域，這也造成了產品功能的多樣化、應用環(huán)境的復雜化。隨著產品功能越來越多，其功能接口也越來越豐富，比如：網絡接口（帶POE功能）、 模擬視頻接口、音頻接口、報警接口、RS485接口、RS232接口等等。功能在不斷地增多，但是對于產品的體積要求越來越小，在增加設計難度的同時也會 使產品面臨著更多的威脅，比如雨季隨著雷電的增多，產品批量的損壞；冬季設備安裝調試時，由于靜電造成設備的功能異常等等。本文著重介紹常用防護器件在產 品中的基本應用，通過防護電路來提高產品抗靜電、抗浪涌干擾的能力，從而提高產品的穩(wěn)定性。
通信產品在應用的過程中，由于雷擊等原因形成的過電壓和過電流會對設備端口造成損害，因此應當設計相應的防護電路，各個端口根據其產品族類、網絡地位、目標市場、應用環(huán)境、信號類型以及實現成本等多種因素的不同所對應的防護電路也不同。
1、氣體放電管
圖1 氣體放電管的原理圖符號
氣體放電管是一種開關型保護器件，工作原理是氣體放電。當兩極間電壓足夠大時，極間間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉化為導電狀態(tài)，類似短路。導電狀態(tài)下兩極間維持的電壓很低，一般在20～50V，因此可以起到保護后級電路的效果。氣體放電管的主要指標有：響應時間、直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量、絕緣電阻、極間電容、續(xù)流遮斷時間。
氣體放電管的響應時間可以達到數百ns以至數ms，在保護器件中是最慢的。當線纜上的雷擊過電壓使防雷器中的氣體放電管擊穿短路時，初始的擊穿電壓基本為氣體放電管的沖擊擊穿電壓，放電管擊穿導通后兩極間維持電壓下降到20～50V；另一方面，氣體放電管的通流量比壓敏電阻和TVS管要大，氣體放電管與TVS等保護器件合用時應使大部分的過電流通過氣體放電管泄放，因此氣體放電管一般用于防護電路的最前級，其后級的防護電路由壓敏電阻或TVS管組成，這兩種器件的響應時間很快，對后級電路的保護效果更好。氣體放電管的絕緣電阻非常高，可以達到千兆歐姆的量級。極間電容的值非常小，一般在5pF以下，極間漏電流非常小，為nA級。因此氣體放電管并接在線路上對線路基本不會構成什么影響。
氣體放電管的續(xù)流遮斷是設計電路需要重點考慮的一個問題。如前所述，氣體放電管在導電狀態(tài)下續(xù)流維持電壓一般在20～50V，在直流電源電路中應用時，如果兩線間電壓超過15V，不可以在兩線間直接應用放電管。在50Hz交流電源電路中使用時，雖然交流電壓有過零點，可以實現氣體放電管的續(xù)流遮斷，但氣體放電管類的器件在經過多次導電擊穿后，其續(xù)流遮斷能力將大大降低，長期使用后在交流電路的過零點也不能實現續(xù)流的遮斷；還存在一種情況就是如果電流和電壓相位不一致，也可能導致續(xù)流不能遮斷。因此在交流電源電路的相線對保護地線、相線對零線以及相線之間單獨使用氣體放電管都不合適，當用電設備采用單相供電且無法保證實際應用中相線和中線不存在接反的可能性時，中線對保護地線單獨使用氣體放電管也是不合適的，此時使用氣體放電管需要和壓敏電阻串聯。在交流電源電路的相線對中線的保護中基本不使用氣體放電管。
防雷電路的設計中，應注重氣體放電管的直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量等參數值的選取。設置在普通交流線路上的放電管，要求它在線路正常運行電壓及其允許的波動范圍內不能動作，則它的直流放電電壓應滿足：min(ufdc)≥1.8UP。式中ufdc直流擊穿電壓，min(ufdc)表示直流擊穿電壓的最小值。UP為線路正常運行電壓的峰值。
氣體放電管主要可應用在交流電源口相線、中線的對地保護；直流RTN和保護地之間的保護；信號口線對地的保護；天饋口饋線芯線對屏蔽層的保護。
氣體放電管的失效模式多數情況下為開路，因電路設計原因或其它因素導致放電管長期處于短路狀態(tài)而燒壞時，也可引起短路的失效模式。氣體放電管使用壽命相對較短，多次沖擊后性能會下降，同時其他放電管在長時間使用會有漏氣失效這種自然失效的情況，因此由氣體放電管構成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題。
2、壓敏電阻
圖2 壓敏電阻的原理圖符號
壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現對后級電路的保護。壓敏電阻的主要參數有：壓敏電壓、通流容量、結電容、響應時間等。
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。
壓敏電阻的壓敏電壓（min(U1mA））、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流回路中，應當有：min(U1mA) ≥(1.8～2)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應當有：min(U1mA) ≥(2.2～2.5)Uac，式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應用時，有適當的安全裕度。在信號回路中時，應當有：min(U1mA)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應根據防雷電路的設計指標來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設計的通流容量。
壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號線路、帶饋電的天饋線路。
壓敏電阻的失效模式主要是短路，當通過的過電流太大時，也可能造成閥片被炸裂而開路。壓敏電阻使用壽命較短，多次沖擊后性能會下降。因此由壓敏電阻構成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題。
3 電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管（TVS）
圖3 TVS管原理圖
TVS（Transient Voltage Suppression）是一種限壓保護器件，作用與壓敏電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個較低的電壓值實現對后級電路的保護。TVS管的主要參數有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結電容、響應時間等。
TVS的響應時間可以達到ps級，是限壓型浪涌保護器件中最快的。用于電子電路的過電壓保護時其響應速度都可滿足要求。TVS管的結電容根據制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結電容型TVS一般在幾百～幾千pF的數量級，低結電容型TVS的結電容一般在幾pF～幾十pF的數量級。一般分立式TVS的結電容都較高，表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號線路的保護中，應主要選用低結電容的TVS管。
TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當通過TVS管的過電流增大時，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細保護的電子電路中，應用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護器中是最小的，一般用于最末級的精細保護，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護，直流電源的防雷電路使用TVS管時，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。 TVS管便于集成，很適合在單板上使用。
TVS具有的另一個優(yōu)點是可靈活選用單向或雙向保護器件，在單極性的信號電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可以獲得比較低的殘壓。
TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流回路中，應當有：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，式中UBR為直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是直流回路中的電壓峰值。
TVS管主要可用于直流電源、信號線路、天饋線路的防雷保護。
TVS管的失效模式主要是短路。但當通過的過電流太大時，也可能造成TVS管被炸裂而開路。TVS管的使用壽命相對較長。
4 電壓開關型瞬態(tài)抑制二極管（TSS）
圖4 TSS管的原理圖符號
電壓開關型瞬態(tài)抑制二極管（TSS，Thyristor SurgeSuppressor）與TVS管相同，也是利用半導體工藝制成的限壓保護器件，但其工作原理與氣體放電管類似，而與壓敏電阻和TVS管不同。當TSS管兩端的過電壓超過TSS管的擊穿電壓時，TSS管將把過電壓鉗位到比擊穿電壓更低的接近0V的水平上，之后TSS管持續(xù)這種短路狀態(tài)，直到流過TSS管的過電流降到臨界值以下后，TSS恢復開路狀態(tài)。
TSS是電壓開關型瞬態(tài)抑制二極管，就是涌抑制晶體管，或者叫做導體放電管，固體放電管等等。LangTuo等牌子。 TSS管是利用半導體工藝制成的保護器件，主要用于信號電路的防雷保護。不能用在電源端口。 TSS器件的通流容量一般最高可達到150A（8/20uS）。
TSS管和TVS管都是利用半導體工藝制成的限壓保護器件，TSS管是電壓開關型的。TVS是電壓鉗位型的。TSS管在響應時間，結電容方面與TVS管是相同特點，易于制成表貼器件，很適合在單板上使用。TSS管適合于信號電平較高的信號電路保護。
TSS管在響應時間、結電容方面具有與TVS管相同的特點。易于制成表貼器件，很適合在單板上使用，TSS管動作后，將過電壓從擊穿電壓值附近下拉到接近0V的水平，這時二極管的結壓降小，所以用于信號電平較高的線路（例如：模擬用戶線、ADSL等）保護時通流量比TVS管大，保護效果也比TVS管好。TSS適合于信號電平較高的信號線路的保護。
在使用TSS管時需要注意的一個問題是：TSS管在過電壓作用下擊穿后，當流過TSS管的電流值下降到臨界值以下后，TSS管才恢復開路狀態(tài)，因此TSS管在信號線路中使用時，信號線路的常態(tài)電流應小于TSS管的臨界恢復電流。臨界恢復電流值隨TSS管的型號和設計應用場合的不同而不同，使用時應注意在器件手冊中查明所用具體型號的確切值。
TSS管的擊穿電壓（min(UBR））、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在信號回路中時，應當有：min(UBR)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。
TSS管較多應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。
5 、正溫度系數熱敏電阻(PTC）
PTC是一種限流保護器件，它有一個動作溫度值TS，當其本體內溫度低于TS時，其阻值維持基本恒定，這時的阻值稱為冷電阻。當正溫度系數電阻本體那溫度高于TS時，其阻值迅速增大，可以達到的最大阻值能過比冷電阻值打104倍左右。由于它的阻值可以隨溫度升高而迅速增大，所以一般串聯于線上用作暫態(tài)大電流的過流保護。PTC在信號線及電源線路上都有應用。
PTC反應速度較慢，一般在毫秒級以上，因此它的非線性電阻特性在雷擊過電流通過時基本發(fā)揮不了作用，只能按它的常態(tài)電阻（冷電阻）來估算它的限流作用。熱敏電阻的作用更多的體現在諸如電力線碰觸等出現長時間過流保護的場合，常用于用戶線路的保護中。
目前PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC兩種，其中陶瓷PTC的過電壓耐受能力比高分子材料的PTC好，但高分子材料的PTC響應速度比陶瓷PTC快。通常陶瓷PTC不能實現低阻值，低阻值的PTC均采用的是高分子的材料。
6、 保險管、熔斷器、空氣開關
保險管、熔斷器、空氣開關都屬于保護器件，用于設備內部出現短路、過流等故障情況下，能夠斷開線路上的短路負載或過流負載，防止電氣火災及保證設備的安全特性。
保險管一般用于單板上的保護，熔斷器、空氣開關一般可用于整機的保護。下面簡單介紹保險管的使用。
對于電源電路上由空氣放電管、壓敏電阻、TVS管組成的防護電路，必須配有保險管進行保護，以避免設備內的防護電路損壞后設備發(fā)生安全問題。圖4-5給出了保險應用的兩個例子，其中a電路中防護電路與主回路共用一個保險，當防護電路短路失效時主回路供電會同時斷開，b電路中主回路和防護電路有各自的保險，當防護電路失效時防護電路的保險斷開，主回路仍然能正常工作，但是此時端口再出現過電壓時，端口可能會因為失去防護而導致內部電路的損壞。兩種電路各有利弊，在設計過程中可以根據需要選用。無饋電的信號線路、天饋線路的保護采用保險管的必要性不大。
圖5 保險應用的兩個例子
保險管的特性主要有：額定電流、額定電壓等。其中額定電壓有直流和交流之分。
標注在熔絲上的電壓額定值表示該熔絲在電壓等于或小于其額定電壓的電路中完全可以安全可靠地中斷其額定的短路電流。電壓額定值系列包括在N．E．C規(guī)定中，而且也是保險商實驗室的一項要求，作為防止火災危險的保護措施。對于大多數小尺寸熔絲及微型熔絲，熔絲制造商們采用的標準額定電壓為32、63、125、250、600V。
概括而言，熔絲可以在小于其額定電壓的任何電壓下使用而不損害其熔斷特性。防護電路中的保險管，宜選用防爆型慢熔斷保險管。
7 、電感、電阻、導線
電感、電阻、導線本身并不是保護器件，但在多個不同保護器件組合構成的防護電路中，可以起到配合的作用。
防護器件中，氣體放電管的特點是通流量大、但響應時間慢、沖擊擊穿電壓高；TVS管的通流量小，響應時間最快，電壓鉗位特性最好；壓敏電阻的特性介于這兩者之間，當一個防護電路要求整體通流量大，能夠實現精細保護的時候，防護電路往往需要這幾種防護器件配合起來實現比較理想的保護特性。但是這些防護器件不能簡單的并聯起來使用，例如：將通流量大的壓敏電阻和通流量小的TVS管直接并聯，在過電流的作用下，TVS管會先發(fā)生損壞，無法發(fā)揮壓敏電阻通流量大的優(yōu)勢。因此在幾種防護器件配合使用的場合，往往需要電感、電阻、導線等在不同的防護元件之間進行配合。下面對這幾種元件分別進行介紹：
電感：在串聯式直流電源防護電路中，饋電線上不能有較大的壓降，因此極間電路的配合可以采用空心電感，如下圖：
圖6 用電感實現兩級防護器件的配合
電感應起到的作用：防護電路達到設計通流量時，TVS上的過電流不應達到TVS管的最大通流量，因此電感需要提供足夠的對雷擊過電流的限流能力。
在電源電路中，電感的設計應注意的幾個問題：
1、電感線圈應在流過設備的滿配工作電流時能夠正常工作而不會過熱；
2、盡量使用空心電感，帶磁芯的電感在過電流作用下會發(fā)生磁飽和，電路中的電感量只能以無磁芯時的電感量來計算；
3、線圈應盡可能繞制單層，這樣做可以減小線圈的寄生電容，同時可以增強線圈對暫態(tài)過電壓的耐受能力；
4、繞制電感線圈導線上的絕緣層應具有足夠的厚度，以保證在暫態(tài)過電壓作用下線圈的匝間不致發(fā)生擊穿短路。
在電源口的防護電路設計中，電感通常取值為7～15uH。
電阻：在信號線路中，線路上串接的元件對高頻信號的抑制要盡量少，因此極間配合可以采用電阻，如下圖：
圖7 用電阻實現兩級防護器件的配合
電阻應起到的作用與前述電感的作用基本相同。以上圖為例，電阻的取值計算方法為：測得空氣放電管的沖擊擊穿電壓值U1，查TVS器件手冊得到TVS管8/20us沖擊電流下的最大通流量I1、以及TVS管最高鉗位電壓U2，則電阻的最小取值為：R≥（U1-U2）/I1。
在信號線路中，電阻的使用應注意的幾個問題：
1、電阻的功率應足夠大，避免過電流作用下電阻發(fā)生損壞；
2、盡量使用線性電阻，使電阻對正常信號傳輸的影響盡量小。
導線：某些交/直流設備的滿配工作電流很大，超過30A，這種情況下防護電路的極間配合采用電感會出現體積過大的問題，為解決這個問題，可以將防護電路分為兩個部分，前級防護和后級防護不設計在同一塊電路板上，同時兩級電路之間可以利用規(guī)定長度的饋電線來做配合。
圖8 用導線實現兩級防器件的配合
這種組合形成的防護電路中，規(guī)定長度饋電線所起的作用，與電感的作用是相同的，因為1米長導線的電感量在1～1.6uH之間，饋電線達到一定長度，就可以起到良好的配合作用，饋電線的線徑可以根據滿配工作電流的大小靈活選取，克服了采用電感做極間配合時電感上不能流過很大工作電流的缺點。
8 、 變壓器、光耦、繼電器
變壓器、光耦和繼電器本身并不屬于保護器件，但端口電路的設計中可以利用這些器件具有的隔離特性來提高端口電路抗過電壓的能力。
端口雷擊共模保護設計有兩種方法：
1、線路對地安裝限壓保護器，當線路引入雷擊過電壓時，限壓保護器成為短路狀態(tài)將過電流泄放到大地；
2、線路上設計隔離元件，隔離元件兩邊的電路不共地，當線路引入雷擊過電壓時，這個瞬間過電壓施加在隔離元件的兩邊。只要在過電壓作用在隔離元件期間，隔離元件本身不被絕緣擊穿，并且隔離元件前高壓信號線不對其他低壓部分擊穿，線路上的雷擊過電壓就不能夠轉化為過電流進入設備內部，設備的內部電路也就得到了保護。這時線路上只需要設計差模保護，防護電路可以大大簡化。例如以太網口的保護就可以采用這種思路。能夠實現這種隔離作用的元件主要有：變壓器、光耦和繼電器等。
這里的變壓器主要是指用于信號端口的各種信號傳輸變壓器。變壓器一般有初/次級間絕緣耐壓的指標，變壓器的沖擊耐壓值（適用于雷擊）可根據直流耐壓值或交流耐壓值換算出來。大致的估算公式為：沖擊耐壓值=2×直流耐壓值=3×交流耐壓值。
圖9 用變壓器實現隔離
上圖示出一種將變壓器結合在內的信號端口防護電路設計。雷擊時，設備外部的線纜上可感應的對地共模過電壓作用在變壓器的初級和次級之間，如圖9。只要初/次級不發(fā)生絕緣擊穿，設備外電纜上的過電壓就不會轉化為過電流進入設備內部。這時端口只需要做差模保護，利用變壓器等器件的隔離特性，有利于簡化端口的防雷電路。
采用這種方法設計需要注意的是：變壓器、光耦和繼電器等元件本身的絕緣耐壓能力應很高（例如沖擊耐壓大于4kV），否則在過電壓的作用下很容易發(fā)生絕緣擊穿，不能起到提高端口耐壓的作用。另外，利用變壓器的隔離特性時，需要注意變壓器的初/次級間有分布電容，某些情況下外部線纜上的共模過電壓可通過分布電容從初級耦合到次級，從而進入到內部電路中，這樣就破壞了變壓器的隔離效果，因此應盡量選用帶有初次極間屏蔽層的變壓器，并將變壓器屏蔽層外引線在單板內接地，如圖9所示。這時變壓器的有效絕緣耐壓變成了初級與屏蔽接地端間的絕緣耐壓值。采用共模隔離設計的另一個需要注意的問題是初級電路與單板上其它電路、地的印制線在單板上應分離開，并有足夠的絕緣距離。一般，印制板上邊緣相距1mm的兩根印制走線，能耐受1.2/50us沖擊電壓4kV左右。
在防護電路的器件選型過程中對氣體放電管、壓敏電阻、熱敏電阻、保險管、熔斷器、空氣開關等都要選擇有安全認證的器件。
