【導讀】通過增加電子元器件以提供電路保護，來防止內部和外部故障是吃力不討好的設計工作之一，這類似于購買保險。盡管遵循監(jiān)管要求和最佳實踐是不錯的出發(fā)點，但當不需要時，它似乎是一個額外的負擔;而當確實需要時，又很難知道保護是否足夠到位。需要保護的最常見故障類別包括由內部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各種過壓事件。
通過增加電子元器件以提供電路保護，來防止內部和外部故障是吃力不討好的設計工作之一，這類似于購買保險。盡管遵循監(jiān)管要求和最佳實踐是不錯的出發(fā)點，但當不需要時，它似乎是一個額外的負擔;而當確實需要時，又很難知道保護是否足夠到位。需要保護的最常見故障類別包括由內部或外部短路、浪涌和元器件故障引起的各種過壓事件。
共有以下三種基于元器件的過壓保護策略：
1.通過一個開關將相關的過電流轉接到地，一旦超過閾值電壓，該開關將變?yōu)榉浅５偷淖杩?
2.通過保護線路兩端的電壓鉗位器耗散掉多余的能量;
3.當超過電壓閾值時，以類似熔斷器的動作斷開受影響的線路。
有許多元器件可用于實施這些保護策略。其中有些元器件在故障發(fā)生時可以充當撬棍和臨時短路線(圖1)，有些則充當鉗位器，將瞬態(tài)電壓限制在預設限值，直到故障消失(圖2)。請注意，“撬棍”一詞可以追溯到早期的電力系統(tǒng)時代，當時工人們真的會將金屬撬棍放在失控的電源總線上以使其短路。
圖1：當撬棍保護功能觸發(fā)時，它會在受保護的線路和地之間形成一條低阻抗路徑，從而將過電壓浪涌轉接到地。本文資料來源：Bourns
圖2：與撬棍相比，鉗位則是將過壓浪涌限制在預定值。
在眾多保護選項中，有氣體放電管(GDT)、晶閘管、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和多層壓敏電阻(MLV)、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)甚至齊納二極管等等。通常會看到其中幾種器件組合起來使用，以提供完整性保護，并在取長補短的關系中彌補每種器件的固有缺點。顯然，還有很多故障類型、保護元器件類型及其保護方式。
舉例來說，為了提供一種幾乎沒有泄漏電流從而能延長使用壽命的過壓保護解決方案，設計人員通常會采用雙元器件布局。這種混合方法整合了兩個分立元器件：串聯的GDT和MOV(圖3)，它們有著組合的電壓-時間曲線(圖4)。很顯然，這種雙元器件方法需要更多的電路板“空間”，并在物料清單(BOM)中多添加一個元器件。
圖3：GDT和MOV的串聯使用提供了一種更有效的過壓保護解決方案。
圖4：GDT+MOV混合布局的響應與時間關系充分展示了它如何整合每個器件的基本響應屬性。
但還有一個更大的問題和復雜性：MOV和GDT區(qū)域的電路板布局通常受制于定義最小爬電距離和電氣間隙的監(jiān)管要求。間隙是空氣中兩個導電部件之間的最短距離;爬電距離是指兩個導電部件之間沿著固體絕緣材料表面的最短距離。
這些距離將隨著電壓的增加而增加。因此，MOV和GDT元器件在實際的電路板布局時又增加了另一個需要關注和約束的點。
最近，看到一種相對較新的保護器件，它是兩個現有器件的組合，但不光是兩個分立元器件的簡單、明顯的合并封裝。Bourns公司的IsoMOV系列混合保護系列產品中的器件就是將MOV和GDT整合在一個封裝中，能提供與分立MOV和GDT串聯等效的功能(圖5)。
圖5：IsoMOV的原理圖符號(右)顯示為兩個器件各自標準符號的合并。
看一下IsoMOV的結構就會發(fā)現，它不僅僅是簡單的將MOV和GDT共同封裝在一個共享外殼中，而是將兩者有機的整合在一起，形成了功能上與分立MOV和GDT串聯等效的效果(圖6)。
圖6：IsoMOV的物理結構是一種完全不同的混合功能實現。
內核組裝完成后，還需連接引線并涂上環(huán)氧樹脂。結果是一個大家熟悉的徑向圓盤型MOV封裝，它僅比類似額定值的傳統(tǒng)器件稍厚且直徑更小(圖7)。此外，由于采用了專利設計正在申請中的新型金屬氧化物技術，這個IsoMOV元器件在相同尺寸下還具有更高的額定電流，而且消除了占位面積問題和爬電距離/間隙問題。
圖7：IsoMOV的徑向引線盤封裝看起來像標準MOV，但它比單個等效的MOV體積更小，額定電流更高。
這種電路保護器件不僅僅是“兩全其美”，因為該設計還有其他優(yōu)勢。MOV故障(是的，它們具有眾所周知的各種故障模式)通常以金屬化區(qū)域邊緣的所謂“浪涌孔”為特征，這通常是由浪涌期間該邊緣的MOV內部溫度升高引起的。Bourns公司表示，這項技術旨在大幅減少或消除這種故障模式。
當組合產品不僅僅是其組成部分的簡單累加時，它總會讓人感興趣。在這里，除了明顯節(jié)省空間外，這種組合還能提供性能和法規(guī)遵從方面的優(yōu)勢。退后一步說，想想能夠“開箱即用”(實際上，這里是“入箱即用”)，并查看內部結構細節(jié)后發(fā)現，這種保護器件確實具有實實在在的好處。
我們經?？吹酵ㄟ^合并封裝來實現更高水平的功能集成，從而形成更小的外殼或芯片，這通常是一件好事，但有時在性能折衷方面也有不利之處。但是，這里的情況似乎并非如此。事實上，這是我近年來第二次看到小型非IC元器件出現這種情況。有些供應商已經在一個外殼中設計了可充電電池和超級電容器的組合，它們提供的可不光是更小的共同封裝，而是對器件構造和物理特性的根本性再思考。其結果遠遠優(yōu)于兩個單獨的能量存儲元器件之和，實現了“一加一大于四”的效果!
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