几种常见涌浪保护元件介绍及其工作原理

对于许多电路来说，涌浪电压会导致电路系统不稳定，因此透过涌浪保护电路来，维持电路的耐受稳定性。国际安规标准IEC 61000订定了对于电子产品的抗扰度要求，其中IEC 61000-4-5 雷击突波耐受是针对产品由于瞬间开关或闪电瞬变引起的过电压，定义了几个不同的测试级别以适用于不同环境。本文将讨论几种能用于抑制涌浪电压的方式，并比较其保护效能。

1. 绪论

涌浪就是瞬间出现超出正常工作电压的峰值，又称为突波。产生原因大多发生在电源启动、大负载起断、雷击等等。在电源启动时，系统大电流对电容由暂态到稳态的电流即是涌浪电流，此电流会减少电路元件的寿命且造成电路误动作。

国际安规IEC针对涌浪抗扰度规定了标准，以下将介绍涌浪电压相关的法规以及防止涌浪电压伤害的保护方法。

涌浪抗扰度试验

电子产品对于涌浪抗扰度试验的要求都不尽相同，但试验标准大多引用国际安规标准IEC 61000-4-5，其规定涌浪抗扰度要求、试验方法、试验等级等等。这项法规为评估电子设备在遭受涌浪冲击时的抗扰度建立一个共同参考的标准，具体分级如表1所示。依照不同产品法规采用不同测试规格，其中X为开放等级，通常为制造商为增强其产品的抗扰能力，或为在较严苛的环境使用进而加严测试条件。

保护方式

瞬态电压抑制二极体是一种限压型的过压保护元件，与需要保护的电路并联。它能吸收涌浪功率，并以极快的速度抑制涌浪电压在合理范围内并保护后端电路，作用类似于齐纳二极体。其优点包括体积小、反应速度快、工作电压低等，但由于可容许的峰值电流较低，会再串联限流元件，例如电阻和保险丝等，如图1所示。当涌浪电压击穿瞬态电压抑制二极体时带来的高电流会烧毁保险丝以达保护后级电路之目的。

市面上常见的涌浪保护元件有瞬态电压抑制二极体、压敏电阻、陶瓷气体放电管等等，每种都各有适应的场合，以下介绍上述的保护元件，并分析其特点。

2. 瞬态电压抑制二极体

涌浪保护电路大都使用两种方式实现，其中一种方式是采用光耦合方式将输入与输出信号隔离开来，只要涌浪电压不超过光耦合的限制范围，即不会对后端设备造成损坏；另一种方式是将主要设备的地连接在一起形成单点接地，并使用适当的涌浪保护元件，如瞬态电压抑制二极体、压敏电阻等等元件，以下将介绍单点接地方法中常使用的涌浪保护元件。

瞬态电压抑制二极体

瞬态电压抑制二极体是一种限压型的过压保护元件，与需要保护的电路并联。它能吸收涌浪功率，并以极快的速度抑制涌浪电压在合理范围内并保护后端电路，作用类似于齐纳二极体。其优点包括体积小、反应速度快、工作电压低等，但由于可容许的峰值电流较低，会再串联限流元件，例如电阻和保险丝等，如

图1 所示。当涌浪电压击穿瞬态电压抑制二极体时带来的高电流会烧毁保险丝以达保护后级电路之目的。

压敏电阻

压敏电阻，又称突波吸收器，是一种具非欧姆导体性质的电子元件，其电阻值随着不同外在电压而改变。使用上会与需要保护的的电路并联。当未有瞬间突波电压时，压敏电阻两端具有极高的电阻值，故不影响原本电路的特性，但当瞬间突波电压出现，压敏电阻的电阻会降至极低，压敏电阻两端短路而将分流突波电流，达到保护电路的作用。压敏电阻的预期寿命较短，在承受多次冲击后会破坏结构使阀值电压降低、漏电流上升，最终导致发热并失效，因此在使用上会串联保险丝，如图2所示。

陶瓷气体放电管

防突波电压设备中应用最广泛的一种保护元件，其原理是当陶瓷气体放电管两端电压过高而达到使惰性气体放电管内的气体击穿时，惰性气体放电管开始放电，使陶瓷气体放电管两端阻抗变极小，使涌浪电压迅速短路至地，而保护后端电路，其缺点是触发时间较长和导通后存在续流问题，因此需结合额外的辅助电路来抑制后续电流，如图3就是透过保险丝来防止后续电流过大造成线路短路。

LC滤波器

LC滤波电路常使用在EMS的抑制上，透过电容与电感频率特性，但它有滤波指定频率的效果和避免高频瞬变电压上升与下降的问题。若结合其他保护元件更有涌浪冲击保护的效果。图4是结合LC滤波器的电路图。滤波器的单一电容容值越大，漏电流也越大，必要时能采取多个电容并联来达到一样的效果。

将上述的各种涌浪保护元件整理并比较，如表2.

3. 复合应用

若只使用单一种保护元件将无法达到良好的防护效果，因此在使用上常常会结合多种不同的保护元件以符合不同程度的突波测试标准，以下将介绍几种常见的组合方式。

陶瓷气体放电管与瞬态电压抑制二极体

由于陶瓷气体放电管的反应时间较慢，瞬态突波发生时可能会来不及反应，这时突波就可能伤害到后级电路，因此使用去耦电感作为缓冲元件才能保证陶瓷气体放电管先动作，残余能量再由第二级防护的瞬态电压抑制二极体抑制，以避免元件损坏，如图5所示。

由于陶瓷气体放电管的导通电压极低，而且有续流问题，不能直接使用在交流电源防护口，使用上应串联如压敏电阻等元件，如

图6 所示。

压敏电阻与瞬态电压抑制二极体

使用压敏电阻的方式，较适合使用在低瞬态电压的条件，如图7所示。

另外并联电容来提升电路吸收涌浪电压的能力，如

图8 所示。

瞬态电压抑制二极体与LC滤波器

当电路承受的涌浪冲击较低时，可以采用瞬态抑制二极体配合LC滤波器，不仅可更有效缓和输出两端电压变动，还能抑制低频杂讯。使具体电路如图9所示。

结论

本文讨论了几种常见的涌浪保护元件，并简单介绍其运作原理。单一的保护元件并不能完全防护涌浪电压带来的损坏，依照不同元件的特性，组合出更加完善的保护电路，方能通过不同电压雷击耐受测试标准。

表2 涌浪保护元件特性表