淺析插座中浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)技巧

管 丹 鄭銀盛 付 杰

（公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315314）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，越來越多高精密電子元器件被應(yīng)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(jī)重啟、性能衰退甚至電路燒毀等故障，由此可見，這些電器對(duì)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(hù)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(cè)試時(shí)炸毀的照片。對(duì)于這款防浪涌保護(hù)器，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋孩僭O(shè)計(jì)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(hù)裝置未及時(shí)動(dòng)作，導(dǎo)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(hù)器時(shí)大電流釋放導(dǎo)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(shí)，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(dòng)作不及時(shí)，過高的電流在短時(shí)間積聚了過高的熱量，導(dǎo)致線路板銅箔炸斷[1]。

1.3 殘壓超標(biāo)

關(guān)于SPD測(cè)試殘壓，我們可以引入歐姆定律U=I·R，將其理解為浪涌進(jìn)入主回路時(shí)，釋放電流乘以內(nèi)阻（連接線、線路板銅箔、VDR等阻值總和）。對(duì)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(dòng)作

在SPD設(shè)計(jì)過程中，為防止VDR失效導(dǎo)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(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于插座SPD中脫扣裝置的異常動(dòng)作（包括但不限于未及時(shí)動(dòng)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(shè)計(jì)技巧分析

本文圍繞浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)，結(jié)合認(rèn)證測(cè)試常見問題，對(duì)插座中SPD的設(shè)計(jì)技巧進(jìn)行了分析和探討。

對(duì)于插座中的浪涌保護(hù)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(jìn)行釋放，從而起到保護(hù)后端電器的作用[2]。

2.1 總體設(shè)計(jì)

關(guān)于防浪涌插座的設(shè)計(jì)，我們通常采用在輸入端添加電壓限制型SPD或復(fù)合型SPD的方案，達(dá)到抑制瞬態(tài)過電壓的效果。在SPD設(shè)計(jì)過程中，我們應(yīng)根據(jù)需求確認(rèn)主要參數(shù)：電壓保護(hù)水平UP、最大持續(xù)工作電壓Uc、標(biāo)稱放電電流In、最大峰值電流Imax等。在插座SPD的設(shè)計(jì)過程中，我們需注意其限制電壓（在特定測(cè)試條件下SPD端子間測(cè)得的殘壓Ures的最大值）應(yīng)低于產(chǎn)品要求的電壓保護(hù)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(hào)，以滿足產(chǎn)品性能需求。

1）壓敏電阻選型

對(duì)于壓敏電阻的選擇，我們首先需要確定對(duì)應(yīng)的壓敏電壓，考慮到VDR實(shí)際壓敏電壓U1mA與標(biāo)稱電壓之間的偏差（我們選用1.1～1.2倍標(biāo)稱電壓作為壓敏電壓），在實(shí)際交流電路中，我們需要考慮電源電壓的波動(dòng)（我們將其有效值的最大值設(shè)定為額定電壓Uac的1.4～1.5倍），又因?yàn)檎医涣麟妷悍逯禐楸兜碾妷河行е担?jīng)計(jì)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(rèn)壓敏電壓后，我們還需確認(rèn)所選用壓敏電阻的最大持續(xù)運(yùn)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(yàn)電壓UREF為255 V，（插座中SPD的標(biāo)稱額定電壓應(yīng)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(yīng)為SPD標(biāo)稱額定電壓的1.25倍”[4]。因此插座中SPD的VDR選型應(yīng)滿足Uc＞1.25·UREF，因此壓敏電阻的最大持續(xù)運(yùn)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(jìn)行選擇），在實(shí)際選擇過程中，我們應(yīng)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(shí)還能夠延長(zhǎng)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(shí)，過大的電流沖擊無法被保護(hù)器吸收，脫扣裝置將迅速動(dòng)作，起到保護(hù)系統(tǒng)電路的作用。對(duì)于插座中SPD的設(shè)計(jì)，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(xiǎn)絲作為其中的脫扣裝置。在溫度保險(xiǎn)絲的選型過程中，不宜選用有機(jī)物型溫度保險(xiǎn)絲（在浪涌電流沖擊后，有機(jī)物型溫度保險(xiǎn)絲星狀簧片與金屬外殼間存在發(fā)生電流焊接導(dǎo)致保險(xiǎn)絲永久短路的風(fēng)險(xiǎn)），因此我們應(yīng)選用合金型溫度保險(xiǎn)絲[5]。在參數(shù)選定過程中，我們主要需要確定溫度保險(xiǎn)絲的通流容量、熔斷溫度、額定電流。考慮到溫度保險(xiǎn)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(xiǎn)絲的標(biāo)稱通流容量應(yīng)稍大于SPD最大通流容量（溫度保險(xiǎn)絲的通流容量過低會(huì)導(dǎo)致提前短路，而其通流容量過高不僅會(huì)增加產(chǎn)品成本，還會(huì)導(dǎo)致VDR失效時(shí)溫度保險(xiǎn)絲還未及時(shí)動(dòng)作）；在溫度保險(xiǎn)絲熔斷溫度的選定過程中，考慮到溫度保險(xiǎn)絲在波峰焊制程中存在熔斷損壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)根據(jù)SPD在測(cè)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(biāo)稱熔斷溫度的合金型溫度保險(xiǎn)絲作為SPD中的脫扣裝置；對(duì)于溫度保險(xiǎn)絲額定溫度的選定，我們應(yīng)根據(jù)SPD設(shè)計(jì)需求與溫度保險(xiǎn)絲性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比選定，例如表1所示，為115 ℃熔斷溫度的合金型溫度保險(xiǎn)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(duì)于壓敏電阻與溫度保險(xiǎn)絲之間的熱傳遞方式，由于壓敏電阻表面不平，往往會(huì)導(dǎo)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(dǎo)熱介質(zhì)（例如導(dǎo)熱硅膠等）。

表1 115 ℃合金型溫度保險(xiǎn)絲通流能力

當(dāng)然，在成本預(yù)算充足的條件下，可以選擇使用將合金型溫度保險(xiǎn)絲與壓敏電阻集成為一體的熱保護(hù)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(xiǎn)絲之間熱耦合不理想的問題，還能使得設(shè)計(jì)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(xiǎn)絲組合或由TMOV進(jìn)行設(shè)計(jì)完成，而壓敏電阻存在漏電流不穩(wěn)定的缺陷，因此復(fù)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(shè)計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)可選用470 V或600 V直流擊穿電壓的GDT；此外我們還應(yīng)注意GDT標(biāo)稱放電容量不得小于產(chǎn)品通流容量。在此基礎(chǔ)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(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)于插座中SPD的設(shè)計(jì)，我們通常選用電壓限制型SPD或復(fù)合型SPD的方案。

對(duì)于插座中的電壓限制型SPD，其主體由壓敏電阻和溫度保險(xiǎn)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(xiǎn)絲根據(jù)上文2.2所述，對(duì)元器件進(jìn)行合理選擇即可。當(dāng)單個(gè)VDR無法達(dá)到所需通流容量時(shí)，我們可采取并聯(lián)多個(gè)VDR，如此不僅可增加SPD通流容量，還能降低SPD殘壓以及延長(zhǎng)器件使用壽命。

圖5 電壓限制型SPD基本電路設(shè)計(jì)圖

對(duì)于插座中的復(fù)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(shí)間（RV2、RV3和GDT1反應(yīng)時(shí)間為各自反應(yīng)時(shí)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(fù)合型SPD基本電路設(shè)計(jì)圖

對(duì)于插座中SPD的PCB Layout，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)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(biāo)記確保各銅箔走線之間距離符合安規(guī)。在畫板過程中應(yīng)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(shí)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(diǎn)，我們可以將圖6電路圖繪制成對(duì)應(yīng)PCB圖（如圖7所示）。

圖7 復(fù)合型SPD PCB繪制圖

3 結(jié)束語

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