IsoMOV 如何选型和使用才能以最小的空间实现最大的电压浪涌抑制
作者：Bill Schweber
随着电子设备的激增和用户安全法规的演变，设计人员一直在寻找各种方法来加强设备保护，同时又要最大限度地减少成本和电路板空间。问题是，电路保护很像保险：在需要它之前，可能看起来是不必要的开支。但确实需要这种保护来防止各种内部和外部的失常和故障，包括内部和外部短路、过流和电压浪涌情况。这些情况可能会导致系统暂时或永久性地失能；损害系统、其内部组件或负载；甚至导致对用户的伤害。
没有单一的保护方案适用于所有的故障和情况。例如，在实施过压保护 (OVP) 时，像气体放电管 (GDT) 这样的撬棍装置一般更适合于长期故障，而金属氧化物压敏电阻 (MOV) 等箝位装置则更适合于瞬时事件。然而，GDT 会因为“维持电流”而保持持续击穿，而 MOV 可能永久失效，并可能因热击穿而达到危险的高温。以混合方式将两种元件串联在一起，可以弥补任何潜在的问题，但这种方法使得电路板布局复杂化，并增加了成本。因此我们需要在设计方面取得进展，以消除这种危害。
本文介绍了 OVP 保护的重要性及其各种实现方法。然后，介绍了 IsoMOV 技术，该技术在单一器件中将 GDT 和 MOV 的优势集于一体，实现了更长的寿命且无维持电流。最后介绍了几款来自 Bourns, Inc. 的实例器件，描述了它们的突出特点，并说明如何进行选型和使用，以实现有效的、低成本的保护。
保护有多个角度
对于电路和系统保护，没有“万全之策”。这有两个原因：第一，有许多故障类型和情形需要保护；第二，故障条件的大小和持续时间决定了所需保护的类型和坚固程度。
在许多这些一般性故障情况中，有以下几种：
过流，即由于外部故障、短路或内部元件故障（包括绝缘故障）导致的负载电流过大。
过压，系统的某个部分由于连接错误而承受过高的电压。
过热，由于设计不良、热管理不足或环境热量过高，导致组件过热。
组件故障，即一个内部组件发生故障，导致过流/过压情况，从而损坏其他组件或负载。
故障的后果往往也不仅仅是影响或破坏一个系统，因为它们可能会导致用户触电。
用于浪涌保护的撬棍装置和箝位装置
在交流和直流电路中，最具挑战性的故障条件是过压浪涌，称为暂时过压 (TOV) 事件。这种短脉冲或尖峰往往是由于附近的雷击或电气开关，将有害的瞬变注入电气设备及其敏感的电子设备。
有两大类浪涌保护装置 (SPD) 用来处理过压和 TOV 事件：撬棍装置和箝位装置。（注意，在非正式讨论中，这些术语有时可以互换使用，但它们并不一样）。
简而言之，撬棍装置是所保护线路的短接电路，从而将浪涌及其电流转移到接地，防止其到达电路（图 1）。当过压情况发生时，撬棍装置被触发进入这种低阻抗模式。
有趣的题外话：“撬棍”一词据说源自电力早期的产业工人的操作，当发生过压情况时，他们会将一个真正的金属撬棍扔到电源和接地母线上。
图 1：当撬棍保护功能触发时，它会成为其所保护线路与地之间的低阻抗路径，从而将过压浪涌转移到地。（图片来源：Bourns Inc.）
撬棍一直处于低阻抗模式，直到电流下降到“保持电流”以下，这时它会又回到高阻抗的正常工作状态。它必须能够在电源处于过压状态的时间内处理流过它的电流。
相比之下，箝位装置可以防止电压超过预设水平（图 2）。当瞬态电压达到箝位装置额定的限制水平时，它会箝制住电压，直到故障熄灭，这时线路将恢复到正常运行模式。重要的是，额定箝位电压要高于正常工作电压。
图 2：与撬棍相反，箝位装置将过压浪涌限制在一个预定的值内。（图片来源：Bourns Inc.）
当瞬态电压高于箝位装置的传导电压时，箝位装置传导的电流刚好能将其两端的电压维持在一个安全、理想的值。这种电流虽然很小，但会导致一些必须解决的安全相关问题，而且可能需要额外的保护，这个问题将在下文进一步讨论。其额定值必须是其在特定时间内必须耗散的功率，这通常是一个相对较短的瞬态事件。
实现 OVP 功能
由于撬棍和箝位装置是重要的保护装置，因此它们必须简单、可靠，容易理解，且具有一致的性能属性。在这种情况下，它们就像热激活保险丝一样，是经典的过流保护元件，经常用作额外的保护层。
撬棍装置：最常见的撬棍装置是 GDT，其火花间隙经过精心设计和构造，位于一个充满惰性气体的密封外壳中。在正常操作中，在发生 TOV 事件之前，它看起来像一个接近无限大的电阻（图 3）。然而，当过压浪涌发生并超过 GDT 的设计电压时，气体会电离，管子会像火花间隙一样“闪光”，并从高阻抗切换到非常低的阻抗。这一变化将暂时使线路短路，直到故障熄灭。
图 3：GDT 是一个复杂的火花间隙器件，只有当其两端的电压超过其设计值时才会导通；在此之前，它看起来像一个几乎完美的断开电路。（图片来源：Bourns Inc.）
GDT 常用于直流电路、电信电路和信号电路，所有这些电路的电流一般都相当低，为 1 安培或更低。请注意，与电影中看到的巨大 GDT 相反，低电平浪涌的 GDT 是一个小型的、封装好的、可安装在印刷电路板上的元件，是看不到闪烁的火花的。较小 GDT 的额定电压为 75 至 600 伏；较大 GDT 的额定值可达数千伏。GDT 有一个问题就是其存在后续电流（也称维持电流），即，即使在故障解除后仍有电流继续流动。
箝位装置：两个最广泛使用的箝位装置选择是电源瞬态电压抑制器 (PTVS) 二极管和金属氧化物压敏电阻 (MOV)，两者都常用于交流和直流电路、电机、通信线路和传感电路的大电流保护（图 4）。MOV 的额定电压为几十伏到一千多伏。
图 4：金属氧化物压敏电阻（和功率瞬态电压抑制器）提供了一个覆盖广泛设计范围的箝位电压。（图片来源：Bourns Inc.）
MOV 通常会传导少量的漏电电流，即使应用的电压远远低于其标称的阈值电压。如果 MOV 受到超过其额定值的电压浪涌，就会发生永久性损坏，导致泄电电流增加。尽管这种电流通常只有几毫安培，但在某些情况下也会带来电击危险。
此外，如果泄电电流足够大，MOV 内部会自发热。当 MOV 连续连接在交流电源上时，这种自热会产生正反馈，即泄电电流越大自热就越多，而自热越多又会导致泄电电流越大。随后的激增会进一步加速这一循环。
在某些时候，MOV 将进入热失控模式，产生相当大的热量并破坏 MOV。在某些情况下，MOV 产生的热量可能成为潜在的点火源 (PIS)，导致附近的材料起火。出于基本安全和安全相关标准要求，必须考虑和处理这种影响。
一个更好的 OVP 解决方案
为了提供一个几乎没有漏电电流的 OVP 解决方案，从而延长工作寿命，设计人员经常采用双组件结构。这种混合方法将两个分立器件组合在一起：将 GDT 与 MOV（图 5）串联，组合后电压与时间曲线见图 6。
图 5：串联 GDT 和 MOV 的混合方法提供了一个更有效的 OVP 解决方案。（图片来源：Bourns Inc.）
图 6：GDT + MOV 混合排列的时间响应显示了每个器件的基本响应属性是如何组合一起的。（图片来源：Bourns Inc.）
这是一种有效的方式，让每个器件补偿另一个器件可能缺点。然而，这种方法也有成本。
它需要更多的电路板空间
物料清单 (BOM) 中还加入了另一个组件
另一个挑战是，MOV 和 GDT 区域的电路板布局因法规要求而变得复杂，这些要求定义了最小的爬电距离和间隙距离。
间隙是两个导电部件之间在空气中的最短距离
爬电距离是指两个导电部件之间沿固体绝缘材料表面的最短距离
问题是，间隙和爬电距离随着电压的增加而增加。因此，布置 MOV 和 GDT 元件时增加了另一个强制和约束，需要考虑到电路板布局。
为了帮助设计人员解决这些成本、空间和监管问题，Bourns, Inc. 开发了 IsoMOV 系列的混合保护元件。该系列提供了一种替代解决方案，将 MOV 和 GDT 结合在一个单一的封装中，提供了与串联分立 MOV 和 GDT 相当的功能（图 7）。
图 7：IsoMOV（右）原理图符号显示它是由 GDT（中，左）和 MOV（上和下，左）单个标准符号合并而成的。（图片来源：Bourns Inc.）
我们看一下 IsoMOV 的结构就会发现，它不仅仅是一个简单的将 MOV 和 GDT 共同包装在一个共用外壳中（图 8）。
图 8：IsoMOV 的物理结构是一个完全不同的混合功能的实现，而非两个单独现有设备的共同封装。（图片来源：Bourns Inc.）
内核组装完成后，连接引线，并对单元进行环氧树脂涂覆。其结果是一个熟悉的径向盘式 MOV 封装，只是稍微厚一些，直径比类似额定值的传统装置小一些（图 9）。此外，由于采用了金属氧化物专利技术设计，IsoMOV 组件在相同的尺寸下还具有更高的额定电流。板空间占用麻烦和爬电/间距问题得以消除。
图 9：径向引线式圆盘封装 IsoMOV 看起来像一个标准的 MOV，只是直径更小，且额定电流比单独的同等 MOV 更高。（图片来源：Bourns Inc.）
IsoMOV 不仅仅做到了“两全其美”，而且还有其他设计优势。MOV 故障有一个特征，通常在金属化区域的边缘会出现所谓的“浪涌孔”，这通常是由于在浪涌期间 MOV 内部的温度升高造成的。Bourns 设计了独特的 EdgMOV 技术，专门用来大幅减少或消除这种故障模式。
让我们来看一个实际 IsoMOV 型号，以获得更详细的了解。ISOM3-275-B-L2 的最大额定连续工作电压 (MCOV) 为 275 伏均方根 (rms) /350 伏直流；额定电流为 3千安 (kA)/15 次操作，6 千安/1 次操作（最大）。另外，值得特别关注的是，它在 20 千赫兹 (kHz) 时的电容很低，只有 30 皮法 (pF)，因此很适合高速数据线路，而且其漏电电流很低，低于 10 微安 (μA)。
标准的作用
设计工程师必须实施各种形式的浪涌或其它保护，原因很多，从审慎的设计实践要求到各种监管标准的规定。其中一些标准是通用的，适用于符合一般操作情况的任何设备，如交流线路操作；另一些标准则专门针对某类应用，如医疗设备。在标准制定组织中，有 UL、IEEE 和 IEC；他们的许多标准是“协调”的，因此是相同的，或几乎相同。
所有这些标准都很复杂，有许多规定；它们还包括例外情况，列出了在某些情况下可以取消的步骤或功能，以及在其他情况下必须增加的额外要求。例如，IEC 60950-1“信息技术设备 – 安全”和 UL/IEC 62368-1 以及“音频/视频、信息和通信技术设备标准 – 第一部分：安全要求”（2020 年取代了 IEC 60950-1）都要求 MOV 的额定电压至少为设备额定电压的 125%。因此，对于 240 伏均方根的主电路来说 ，MOV 的额定电压必须至少是 300 伏均方根。
考虑一下常见的交流线路插头的情况，它有两个和三个孔的版本。理论上，三线制版本提供了一个安全地线，但在实践中，该地线往往没有连接或无法使用。当只有火线和中性线时，缺乏真正接地的安全地线连接会导致潜在的危险状况。在这种情况下，有必要在设计中加入保护组件，以防止用户在触摸本应接地但没有接地的导电部件时可能发生的触电。但在这种情况下，少量的 MOV 漏电电流仍可能造成电击危险。
防止 MOV 漏电电流变得这样危险的最常见解决方案是将至少一个 GDT 与 MOV 串联（图 10）。通过使用 IsoMOV 器件，一个封装同时实现了 MOV 和 GDT 功能，从而节省了板空间。因此，IsoMOV 也是一个解决问题的组件，它简化了满足 UL/IEC 62368-1 所要求的安全措施。
图 10：为了消除在不接地的应用中由于不可避免的泄电电流造成的用户触电危险，可以将两个器件（一个 MOV 和一个 GDT）串联在交流线路的火线和中性线之间。（图片来源：Bourns Inc.）
图 11：使用独立 MOV 和 GDT 的替代方案是使用单个 IsoMOV 器件，从而获得相同或更好的性能，并实现更小的整体解决方案尺寸。（图片来源：Bourns Inc.）
结语
人们经常问工程师哪种解决方案“最好”。在大多数情况下，只有折中方案，没有单一、简单的答案。一般来说，在实现过压保护时，撬棍装置更适合于长期故障，而箝位装置则更适合于瞬时事件。但是使用这两个装置都会增加板空间占用，并使电路板布局复杂化。
现在，随着新技术的出现，没有必要妥协了。Bourns 的 IsoMOV 比单独 MOV 实现了更长的运行寿命，但没有 GDT 的后续电流问题。这些器件同时提供浪涌和过压保护，以较小板空间占用满足了所有相关标准要求。此外，其低漏电电流将后续问题降至最低，而极低的电容也使得它们适用于保护低压、高速电路。
