淺析插座中浪涌保護器的設計技巧

管 丹 鄭銀盛 付 杰

（公牛集團股份有限公司 慈溪 315314）

引言

隨著經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，越來越多高精密電子元器件被應用于智能生活電器之中，但是高精密電子元器件通常耐壓水平較低，且其抗干擾能力較弱，因此這些帶有高精密電子元器件的電器往往易受電網(wǎng)浪涌的影響，發(fā)生操作失控、卡機重啟、性能衰退甚至電路燒毀等故障，由此可見，這些電器對于輸入電源的穩(wěn)定性有著極高的要求。然而較多插座廠商在產(chǎn)品研發(fā)過程中注重于產(chǎn)品功能的拓展，產(chǎn)品防護效果并不理想。

1 常見問題分析

1.1 壓敏電阻損壞

如圖1所示，為壓敏電阻在測試時炸毀的照片。對于這款防浪涌保護器，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因為：①設計過程中，壓敏電阻選型不合理所致，即施加在壓敏電阻兩端的工作電壓超過其最大持續(xù)工作電壓Uc；②脫扣保護裝置未及時動作，導致壓敏電阻無法承受浪涌的沖擊量。

圖1 VDR炸毀照片

1.2 線路板銅箔炸斷

如圖2所示，為脈沖過電壓通過防浪涌保護器時大電流釋放導致銅箔炸斷的照片。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是線路板銅箔過薄且寬度不足，銅箔載流量有限，致使脈沖過電壓產(chǎn)生時，壓敏電阻、放電管等元器件阻抗瞬間變低，極大的釋放電流流經(jīng)SPD非線性元件所在回路的銅箔，脫扣裝置動作不及時，過高的電流在短時間積聚了過高的熱量，導致線路板銅箔炸斷[1]。

1.3 殘壓超標

關(guān)于SPD測試殘壓，我們可以引入歐姆定律U=I·R，將其理解為浪涌進入主回路時，釋放電流乘以內(nèi)阻（連接線、線路板銅箔、VDR等阻值總和）。對于殘壓較高的問題，其主要因素包括連接線線規(guī)不合理、PCB Layout不合理、元器件選型不合理等。

1.4 脫扣裝置異常動作

在SPD設計過程中，為防止VDR失效導致起火、爆炸等問題，通常采用熔斷器或斷路器等脫扣裝置對電路進行保護。對于插座SPD中脫扣裝置的異常動作（包括但不限于未及時動作、不耐沖擊等情況），往往問題出現(xiàn)于脫扣裝置無法滿足SPD性能要求。

2 設計技巧分析

本文圍繞浪涌保護器的設計，結(jié)合認證測試常見問題，對插座中SPD的設計技巧進行了分析和探討。

對于插座中的浪涌保護器，根據(jù)分類定義可知，其屬于TYPE 3 SPD，通過吸收經(jīng)過TYPE 1 SPD和TYPE 2 SPD的殘余浪涌能量并轉(zhuǎn)換為其他形式能量進行釋放，從而起到保護后端電器的作用[2]。

2.1 總體設計

關(guān)于防浪涌插座的設計，我們通常采用在輸入端添加電壓限制型SPD或復合型SPD的方案，達到抑制瞬態(tài)過電壓的效果。在SPD設計過程中，我們應根據(jù)需求確認主要參數(shù)：電壓保護水平UP、最大持續(xù)工作電壓Uc、標稱放電電流In、最大峰值電流Imax等。在插座SPD的設計過程中，我們需注意其限制電壓（在特定測試條件下SPD端子間測得的殘壓Ures的最大值）應低于產(chǎn)品要求的電壓保護水平UP。

2.2 元器件選型

圖2 SPD電流釋放銅箔炸斷照片

在插座中SPD元器件選型環(huán)節(jié)，我們需要選擇正確的壓敏電阻、脫扣裝置、放電管等元器件型號，以滿足產(chǎn)品性能需求。

1）壓敏電阻選型

對于壓敏電阻的選擇，我們首先需要確定對應的壓敏電壓，考慮到VDR實際壓敏電壓U1mA與標稱電壓之間的偏差（我們選用1.1～1.2倍標稱電壓作為壓敏電壓），在實際交流電路中，我們需要考慮電源電壓的波動（我們將其有效值的最大值設定為額定電壓Uac的1.4～1.5倍），又因為正弦交流電壓峰值為倍的電壓有效值，經(jīng)計算可知，我們選用VDR的壓敏電壓與額定電壓之間的關(guān)系為：U1mA≈(2.2～2.5)·Uac。

在確認壓敏電壓后，我們還需確認所選用壓敏電阻的最大持續(xù)運行電壓Uc。查閱GB/T 18802.11-2020附錄B，我們可知插座中SPD的參考試驗電壓UREF為255 V，（插座中SPD的標稱額定電壓應大于UREF）[3]。結(jié)合EN 61643-11:2012+ A11:2018中Annex ZC的ZC7.7提及的“電壓限制元件的額定電壓至少應為SPD標稱額定電壓的1.25倍”[4]。因此插座中SPD的VDR選型應滿足Uc＞1.25·UREF，因此壓敏電阻的最大持續(xù)運行電壓需大于319 V。

此外還需選擇合適的壓敏電阻的通流容量（根據(jù)VDR所需承受的暫態(tài)浪涌電流峰值進行選擇），在實際選擇過程中，我們應選用大于所需通流容量壓敏電阻，以此在降低SPD殘壓的同時還能夠延長器件使用壽命。

2）脫扣裝置選型

關(guān)于SPD中的脫扣裝置，在VDR失效形成短路時，過大的電流沖擊無法被保護器吸收，脫扣裝置將迅速動作，起到保護系統(tǒng)電路的作用。對于插座中SPD的設計，考慮成本、性能、工作環(huán)境等多方面要素，我們選用溫度保險絲作為其中的脫扣裝置。在溫度保險絲的選型過程中，不宜選用有機物型溫度保險絲（在浪涌電流沖擊后，有機物型溫度保險絲星狀簧片與金屬外殼間存在發(fā)生電流焊接導致保險絲永久短路的風險），因此我們應選用合金型溫度保險絲[5]。在參數(shù)選定過程中，我們主要需要確定溫度保險絲的通流容量、熔斷溫度、額定電流。考慮到溫度保險絲與SPD浪涌吸收元器件之間的串聯(lián)連接關(guān)系，溫度保險絲的標稱通流容量應稍大于SPD最大通流容量（溫度保險絲的通流容量過低會導致提前短路，而其通流容量過高不僅會增加產(chǎn)品成本，還會導致VDR失效時溫度保險絲還未及時動作）；在溫度保險絲熔斷溫度的選定過程中，考慮到溫度保險絲在波峰焊制程中存在熔斷損壞的風險，同時根據(jù)SPD在測試過程中表面溫度低于120 ℃的規(guī)范要求，通常情況下，我們可選用115 ℃標稱熔斷溫度的合金型溫度保險絲作為SPD中的脫扣裝置；對于溫度保險絲額定溫度的選定，我們應根據(jù)SPD設計需求與溫度保險絲性能參數(shù)進行對比選定，例如表1所示，為115 ℃熔斷溫度的合金型溫度保險絲的脈沖通流（8/20 us）能力Imax與其額定電流Ir間的關(guān)系。對于壓敏電阻與溫度保險絲之間的熱傳遞方式，由于壓敏電阻表面不平，往往會導致兩者之間熱耦合不盡人意，因此我們需使用壓敏膠帶或熱縮套管將二者捆綁在一起，假若兩者之間熱耦合依然不如意，我們可在兩者之間添加導熱介質(zhì)（例如導熱硅膠等）。

表1 115 ℃合金型溫度保險絲通流能力

當然，在成本預算充足的條件下，可以選擇使用將合金型溫度保險絲與壓敏電阻集成為一體的熱保護型壓敏電阻（如圖3所示），選用TMOV，不僅能夠解決壓敏電阻與溫度保險絲之間熱耦合不理想的問題，還能使得設計更為便捷。

圖3 TMOV構(gòu)造示意圖

3）放電管選型

電壓限制型SPD通常由壓敏電阻與溫度保險絲組合或由TMOV進行設計完成，而壓敏電阻存在漏電流不穩(wěn)定的缺陷，因此復合型SPD在電路中壓敏電阻所在支路上串聯(lián)氣體放電管能夠有效解決該問題。如圖4所示，為氣體放電管的電氣特性圖，因此插座SPD設計在GDT選型過程中，其最小直流擊穿電壓Vs必須高于電路工作時的最大電壓，因此GDT直流擊穿電壓Vs與產(chǎn)品額定電壓Uac之間的關(guān)系為Vs＞2.1·Uac，因此插座SPD設計可選用470 V或600 V直流擊穿電壓的GDT；此外我們還應注意GDT標稱放電容量不得小于產(chǎn)品通流容量。在此基礎上，我們即可根據(jù)自己的需求選擇合適的GDT。

圖4 GDT電氣特性圖

2.3 電路設計要點

對于插座中SPD的設計，我們通常選用電壓限制型SPD或復合型SPD的方案。

對于插座中的電壓限制型SPD，其主體由壓敏電阻和溫度保險絲組合而成，基本電路如圖5所示。在該電路中，壓敏電阻和溫度保險絲根據(jù)上文2.2所述，對元器件進行合理選擇即可。當單個VDR無法達到所需通流容量時，我們可采取并聯(lián)多個VDR，如此不僅可增加SPD通流容量，還能降低SPD殘壓以及延長器件使用壽命。

圖5 電壓限制型SPD基本電路設計圖

對于插座中的復合型SPD，我們可以理解為在電壓限制型SPD基本電路上加入GDT構(gòu)成，其基本電路如圖6所示，其中，在脈沖過電壓沖擊下，GDT氣體電離需要一定的時間（RV2、RV3和GDT1反應時間為各自反應時間之和），電路中的壓敏電阻RV1可有效避免幅度較高的尖脈沖泄漏到輸出端。

圖6 復合型SPD基本電路設計圖

對于插座中SPD的PCB Layout，在設計過程中，應根據(jù)安規(guī)標準確認各銅箔走線之間爬電距離和電氣間隙，畫板過程可使用絲印標記確保各銅箔走線之間距離符合安規(guī)。在畫板過程中應確保放電路徑盡可能短，載流路徑則盡可能寬。此外，我們能以載流路徑上開窗的方式，讓PCB板過錫爐時載流路徑焊上足夠的錫，以此增加放電路徑通流能力。

根據(jù)以上PCB Layout要點，我們可以將圖6電路圖繪制成對應PCB圖（如圖7所示）。

圖7 復合型SPD PCB繪制圖

3 結(jié)束語

本文從插座中浪涌保護器設計的常見問題出發(fā)，對問題原因及解決方案進行分析與探討，結(jié)合筆者對元器件選型及對SPD電路設計要點的理解，綜合闡述了插座中SPD的設計技巧，希望能幫助更多插座行業(yè)設計人員及業(yè)余愛好者理解并掌握插座中SPD的設計要點。