１ 設(shè)計(jì)原則 
 

對(duì)于家居信息系統(tǒng)的保護(hù)除了做好常規(guī)的防雷設(shè)施和做好接地外，還應(yīng)在信息家電的電源端加裝相應(yīng)的過電壓保護(hù)裝置，以消除電網(wǎng)浪涌、雷電感應(yīng)電壓、設(shè)備切換等意外事件對(duì)信息家電設(shè)備的沖擊和毀壞。要求進(jìn)入信息家電內(nèi)的電源線、信號(hào)線應(yīng)通過防雷、防過壓處理，并將設(shè)備外殼、室內(nèi)的金屬門、窗、管道等進(jìn)行等電位處理。
     

信息家電設(shè)備雷電過電壓及電磁干擾防護(hù)是保護(hù)通信線路、設(shè)備及人身安全的重要技術(shù)手段和確保通信線路、設(shè)備運(yùn)行不受干擾必不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)。信息網(wǎng)絡(luò)過電壓保護(hù)必須運(yùn)用電磁兼容原理將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)局部的防護(hù)歸結(jié)到整體的雷電過電壓保護(hù)。
    

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所處的建筑物作為一個(gè)欲保護(hù)的空間區(qū)域，從電磁兼容的角度出發(fā)，可由外到內(nèi)分為幾個(gè)雷電保護(hù)區(qū)，現(xiàn)已規(guī)定出各部分空間不同的雷電磁脈沖（ＬＥＭＰ）的嚴(yán)重程度。
 

根據(jù)雷電保護(hù)區(qū)的劃分要求，建筑物外部是直擊雷區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備最容易遭受損害，危險(xiǎn)性最高，是暴露區(qū)，為０區(qū)；建筑物內(nèi)部所處的位置為非暴露區(qū)可將其分為１區(qū)、２區(qū)，越往內(nèi)部，危險(xiǎn)程度越低，雷電過電壓對(duì)內(nèi)部電子設(shè)備的損害主要是沿線路引入。保護(hù)區(qū)的界面通過外部的防雷系統(tǒng)、建筑物的鋼筋混凝土及金屬外殼等構(gòu)成屏蔽層。電氣通道以及金屬管則必須通過這些界面，穿過各級(jí)雷電保護(hù)區(qū)的金屬構(gòu)件在每一穿過點(diǎn)做等電位聯(lián)結(jié)。
 

２ 浪涌電壓抑制器件 
 

浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類。第一種類為橇棒（Ｃｒｏｗ Ｂａｒ）器件，其主要特點(diǎn)是器件擊穿后的殘壓很低，因此不僅有利于浪涌電壓的迅速泄放，而且使功耗大大降低。另外，該類型器件的漏電流小，器件極間電容量小，所以對(duì)線路影響很小。常用的撬棒器件包括氣體放電管、氣隙型浪涌保護(hù)器、硅雙向?qū)ΨQ開關(guān)（ＣＳＳＰＤ）等。
 

另一類為箝位保護(hù)器，即保護(hù)器件在擊穿后，其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升，以箝位的方式起到保護(hù)作用。常用的箝位保護(hù)器是氧化鋅壓敏電阻ＭＯＶ，瞬態(tài)電壓抑制器（ＴＶＳ）等。
 

保護(hù)器分過電壓保護(hù)元件和過電流保護(hù)元件。我們通常所稱的“避雷器”和隨著國外防雷器件引入的“浪涌抑制器”、“過電壓限制器”、放電管、齊納二極管等都屬于電壓限制元件。它們的工作原理差不多，但它們之間的通流容量、動(dòng)作速度、殘壓等有很大差別。
 

而正溫度系數(shù)ＰＴＣ、電感、電阻、保險(xiǎn)絲則屬于過電流保護(hù)元件。
 

二極管防護(hù)器件包括開關(guān)二極管、齊納二極管、瞬態(tài)二極管等。它們的保護(hù)性能大致相同，在承受沖擊能力和限制電壓等級(jí)方面稍有不同。正常情況下，管子呈高阻，當(dāng)外加電壓達(dá)到其門限值時(shí)，電流迅速增加。是響應(yīng)速度非常快的保護(hù)元件，限幅電壓低，管子兩端壓降基本不受沖擊電壓和沖擊電流的影響，保護(hù)精密設(shè)備中半導(dǎo)體電路非它莫屬。近年來正在發(fā)展的瞬態(tài)二極管，在通流能力方面有了較大的突破，可用在第二級(jí)甚至第一級(jí)保護(hù)。
 

二極管型防護(hù)器件是利用硅ＰＮ結(jié)正向壓降（ＶＦ）和反向雪崩擊穿電壓（ＶＺ）的特性制成的，如瞬變電壓抑制二極管（ＴＶＳ）。二極管型防護(hù)器件有兩種形式：一是齊納型單向雪崩擊穿，二是雙向的硅壓敏電阻。ＴＶＳ器件在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，承受到高能量的瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低以允許大電流通過，并將電壓箝制在預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電子產(chǎn)品中的精密元器件免受損壞。雙向ＴＶＳ可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓箝制在預(yù)定水平，雙向ＴＶＳ適用于交流電路。ＴＶＳ的最大優(yōu)點(diǎn)是箝位系數(shù)小，所謂箝位系數(shù)就是指ＴＶＳ上流過的電流在最大時(shí)的端電壓與流過的電流為最小時(shí)的端電壓的比值，箝位系數(shù)越小，抑制瞬變電壓的效果越好。ＴＶＳ器件的其它優(yōu)點(diǎn)是體積小、響應(yīng)速度快（小于１ｎｓ）、可靠性高、每次經(jīng)受瞬變電壓后其性能不會(huì)下降等。

缺點(diǎn)是電容大、耐電流量小?，F(xiàn)在，國外ＴＶＳ器件已經(jīng)采用氣密性附殼封裝，外形為ＤＯ－４１，而一般的民用器件則采用有引線或無引線的塑封形式，典型的有美國ＧｅｎｅｒａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司生產(chǎn)４００Ｗ、６００Ｗ、１５００Ｗ無引線扁平塑封，其４００Ｗ的工作電壓為５．５～１６２Ｖ，型號(hào)為ＴＳＭＡ６．８～ＴＳＭＡ２００，外形為ＳＭＡ／Ｄ０２１４ＡＣ；６００Ｗ的工作電壓為５．５～１６２Ｖ，型號(hào)為ＴＳＭＢ６．８～ＴＳＭＢ２００，外形為ＳＭＢ／Ｄ０２１４ＡＡ；１５００Ｗ工作電壓５．５～１６２Ｖ，型號(hào)為ＴＳＭＣ６．８～ＴＳＭＣ２００，外形為ＳＭＣ／Ｄ０２１４ＡＢ。該公司也生產(chǎn)無引線圓柱形產(chǎn)品，型號(hào)為ＴＧＬ４１－６．８～ＴＧＬ４１－２００，外形為ＭＥＬＦＧＬ４１。該公司還生產(chǎn)５０００Ｗ的ＴＶＳ，其工作電壓為５．０～１１０Ｖ，型號(hào)為５ＫＰ５．０～５ＫＰ１１０，外形為Ｐ６００。ＴＶＳ的另一發(fā)展方向是開發(fā)低電壓產(chǎn)品，目前正在開發(fā)的產(chǎn)品電壓范圍為２．８～３．８Ｖ，以滿足低壓微處理器和ＩＣ的需要。
  

３ 硅瞬變吸收二極管   
 

硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件，其應(yīng)用是與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)速度（亞納秒級(jí)）、相當(dāng)高的浪涌吸收能力和極多的電壓檔次。能保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。
 

ＴＶＳ管有單方向（單個(gè)二極管）和雙方向（兩個(gè)背對(duì)背連接的二極管）兩種，它們 的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中，ＴＶＳ管的擊穿電壓要比被保護(hù)電路工作電壓高１０％左右，以防止因線路工作電壓接近ＴＶＳ擊穿電壓，使ＴＶＳ漏電流影響電路正常工作；也避免因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的ＴＶＳ管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。ＴＶＳ管有多種封裝形式，如，軸向引線產(chǎn)品可用在電源饋線上，雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、Ｉ／Ｏ總線及數(shù)據(jù)總線的保護(hù)。
    

３．１ ＴＶＳ的特性  
 

ＴＶＳ的電路符號(hào)和普通的穩(wěn)壓管相同。其電壓－電流特性曲線如圖１所示。其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的ＰＮ結(jié)雪崩器件。圖２是ＴＶＳ的電流－時(shí)間和電壓－時(shí)間曲線。在浪涌電壓的作用下，ＴＶＳ兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓ＶＷＭ上升到擊穿電壓ＶＢＲ，而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過ＴＶＳ的電流將達(dá)到峰值脈沖電流ＩＰＰ，同時(shí)在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓ＶＣ以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，ＴＶＳ兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)，這就是ＴＶＳ抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的過程。當(dāng)ＴＶＳ兩極受到反向高能量沖擊時(shí)，它能以１０～１２Ｓ級(jí)的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預(yù)定值，有效地保護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。ＴＶＳ具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通訊設(shè)備、電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。
 

３．２ ＴＶＳ的主要參數(shù)
 

（１）最大反向漏電流ＩＤ和額定反向關(guān)斷電壓ＶＷＭ。ＶＷＭ是ＴＶＳ最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當(dāng)這個(gè)反向電壓加于ＴＶＳ的兩極間時(shí)它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ＩＤ；
 

（２）最小擊穿電壓ＶＢＲ和擊穿電流ＩＲ。ＶＢＲ是ＴＶＳ最小的擊穿電壓。在２５℃時(shí)，低于這個(gè)電壓ＴＶＳ是不會(huì)發(fā)生雪崩的。當(dāng)ＴＶＳ流過規(guī)定的１ｍＡ電流（ＩＲ）時(shí)，加于ＴＶＳ兩極的電壓為其最小擊穿電壓ＶＢＲ。按ＴＶＳ的ＶＢＲ與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把ＶＢＲ分為５％和１０％兩種。對(duì)于５％的ＶＢＲ來說，ＶＷＭ＝０．８５ＶＢＲ；對(duì)于１０％的ＶＢＲ來說，ＶＷＭ＝０．８１ＶＢＲ；
 

（３）最大箝位電壓ＶＣ和最大峰值脈沖電流ＩＰＰ。當(dāng)持續(xù)時(shí)間為２０ｍＳ的脈沖峰值電流ＩＰＰ流過ＴＶＳ時(shí)，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為ＶＣ。ＶＣ、ＩＰＰ反映了ＴＶＳ的浪涌抑制能力。ＶＣ與ＶＢＲ之比稱為箝位因子，一般在１．２～１．４之間； 
 

（４）電容量Ｃ。電容量Ｃ是由ＴＶＳ雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的１ＭＨｚ頻率下測得的。Ｃ的大小與ＴＶＳ的電流承受能力成正比，Ｃ太大將使信號(hào)衰減。因此，Ｃ是數(shù)據(jù)接口電路選用ＴＶＳ的重要參數(shù)； 
 

（５）最大峰值脈沖功耗ＰＭ。ＰＭ是ＴＶＳ能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗ＰＭ越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗ＰＭ下，箝位電壓ＶＣ越低，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，ＴＶＳ所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率（持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比）為０．０１％。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞ＴＶＳ； 
 

（６）箝位時(shí)間ＴＣ。ＴＣ是從零到最小擊穿電壓ＶＢＲ的時(shí)間。對(duì)單極性ＴＶＳ小于１×１０－１２Ｓ；對(duì)雙極性ＴＶＳ小于１０×１０－１２Ｓ。    

３．３ ＴＶＳ的分類    
                 

ＴＶＳ器件按極性可分為單極性和雙極性兩種；按用途可分為通用型和專用型；按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插ＴＶＳ陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可以達(dá)到４００Ｗ、５００Ｗ、６００Ｗ、１５００Ｗ和５０００Ｗ。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝的場合。對(duì)于高密度安裝的場合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。
 

３．４ ＴＶＳ的選用  
 

（１）確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓，電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和最大可承受電壓；
 

（２）ＴＶＳ的額定反向關(guān)斷電壓ＶＷＭ應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的ＶＷＭ太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作；  
   

（３）ＴＶＳ的最大反向箝位電壓ＶＣ應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓  ；
 

（４）在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，ＴＶＳ的最大峰值脈沖功率ＰＭ必須大于被保護(hù)電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。一般，ＴＶＳ的最大峰值脈沖功率是以１０／１０００ｍＳ的非重復(fù)脈沖給出的，而實(shí)際的脈沖寬度是由脈沖源決定的，當(dāng)脈沖寬度不同時(shí)，其峰值功率也不同。如某６００ＷＴＶＳ，對(duì)１０００ｍＳ脈寬最大吸收功率為６００Ｗ，但是對(duì)５０ｍＳ脈寬吸收功率就可達(dá)到２１００Ｗ，而對(duì)１０ｍＳ的脈寬最大吸收功率就只有２００Ｗ了。而且吸收功率還和脈沖波形有關(guān)，如果是半個(gè)正弦波形式的脈沖，吸收功率就要減到７５％；若是方波形式的脈沖，吸收功率就要減到６６％；  
 

（５）平均穩(wěn)態(tài)功率的匹配對(duì)于需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊的ＴＶＳ，如應(yīng)用在繼電器、功率開關(guān)或電機(jī)控制等場合，有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。例如，在一功率開關(guān)電路中會(huì)產(chǎn)生１２０Ｈｚ，寬度為４ｍＳ，峰值電流為２５Ａ的脈沖群。選用ＴＶＳ可以將單個(gè)脈沖的電壓箝位到１１．２Ｖ。此平均穩(wěn)態(tài)功率的計(jì)算為：脈沖時(shí)間間隔等于頻率的倒數(shù)１／１２０＝０．００８３Ｓ，峰值吸收功率是箝位電壓與脈沖電流的乘積１１．２Ｖ×２５Ａ＝２８０Ｗ，平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對(duì)脈沖間隔比值的乘積，即２８０×（０．０００００４Ｓ／０．００８３Ｓ）＝０．１３４Ｗ。也就是說選用的ＴＶＳ平均穩(wěn)態(tài)功率必須大于０．１３４Ｗ
 

（６）對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適電容Ｃ的ＴＶＳ器件；
     

（７）根據(jù)用途選用ＴＶＳ的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性ＴＶＳ較為合理，多線保護(hù)選用ＴＶＳ陣列更為有利；
 

（８）根據(jù)溫度考慮，瞬態(tài)電壓抑制器可以在－５５℃～＋１５０℃之間工作。如果需要ＴＶＳ在一個(gè)變化的溫度下工作，由于其反向漏電流ＩＤ是隨溫度增加而增大；功耗隨ＴＶＳ結(jié)溫增加而下降，從＋２５～＋１７５℃，大約線性下降５０％；擊穿電壓ＶＢＲ隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對(duì)其特性的影響。
 

３．５ ＴＶＳ管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)  
 

對(duì)于瞬變電壓的吸收功率（峰值）與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系，手冊(cè)給的只是特定脈寬下的吸收功率（峰值），而實(shí)際線路中的脈沖寬度則是變化莫測的，技術(shù)人員事前要有估計(jì)，對(duì)寬脈沖應(yīng)降額使用。
 

對(duì)于小電流負(fù)載的保護(hù)方面，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，就不會(huì)影響線路的正常工作，但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的ＴＶＳ管來對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。
 

對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是ＴＶＳ管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。 
 

３．６ 降額使用  
 

作為半導(dǎo)體器件的ＴＶＳ管，要注意環(huán)境溫度升高時(shí)的降額使用問題。特別要注意ＴＶＳ管的引線長短以及它與被保護(hù)線路的相對(duì)距離。當(dāng)沒有合適電壓的ＴＶＳ管供采用時(shí)，允許用多個(gè)ＴＶＳ管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個(gè)。而峰值吸收功率等于這個(gè)電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積。