如何選擇和應用 IsoMOV，在最小空間內達到最大電壓突波抑制

電子裝置數量不斷激增，管理使用者安全的法規也持續發展，設計人員在尋找方法強化裝置保護，同時最小化成本和電路板空間。問題是電路保護就像保險：在要用到之前似乎是不必要的費用。這種保護需要針對各種內部和外部的異常和故障，包括內部和外部短路、過流和電壓突波情況。這些事件可能會暫時或永久停用系統；破壞系統、系統內部元件或負載；甚至對使用者造成傷害。

沒有單一保護解決方案適用於所有故障和情況。例如，實施過壓保護 (OVP) 時，氣體放電管 (GDT) 等撬棍通常更適合長期故障，而金氧變阻器 (MOV) 等箝位更適合瞬態事件。然而，GDT 會受到「保持電流」的影響，且 MOV 可能會永久失效，並且會由於熱失控而達到危險的高溫。使用混合方法，串聯連接兩個元件可以補償任何潛在問題，但這種方法會使電路板佈局複雜化並增加成本。需要在設計上提升才能消除這種妥協。

本文介紹 OVP 保護的重要性以及實現的各種方法。接著介紹 IsoMOV 技術；該技術將 GDT 和 MOV 的優點結合在單一元件，具有更長的壽命和無保持電流。然後將介紹 Bourns Inc. 的範例元件，描述其顯著特徵，並展示如何選擇和使用，以達到有效、高效率、低成本的保護。

保護有多重觀點

電路和系統保護沒有「一以貫之」的解決方案。原因有兩個：第一，需要保護的故障和事件類型很多；其次，故障條件的程度和持續時間決定所需保護的類型和耐用度。

許多一般故障情況包括：

• 過電流是指負載由於外部故障、短路或內部元件故障 (包括絕緣故障) 而消耗過多電流
• 過電壓是指系統的一部分由於錯誤連接而承受過大的電壓
• 過熱是元件由於設計不當、熱管理不足或環境過熱而導致
• 元件故障是指內部元件發生故障導致過電流／過壓情況，從而損壞其他元件或負載

故障不僅會影響甚至損壞系統，而且還會帶來其他後果，因為可能會對使用者造成電擊危險。

用於突波保護的撬棍和箝位

交流和直流電路中最具挑戰性的故障之一是過壓突波，稱為暫態過壓 (TOV) 事件。這種短脈衝或尖波通常是由於附近的雷擊或電氣開關將有害的暫態注入電氣裝置及其敏感電子裝置。

兩大類突波保護裝置 (SPD) 用於處理過壓和 TOV 事件：撬棍 和箝位。(請注意，這些術語有時會在「一般」討論中互換使用，但它們並不相同。)

簡而言之，撬棍會在受保護的線路上形成短路，從而將突波及其電流轉移到地，防止其到達電路 (圖 1) 。發生過壓情況時，撬棍被觸發進入這種低阻抗模式。

有趣的旁注：「撬棍」一詞據說來自電力早期的產業工人，當發生過壓情況時，他們會將實際的金屬撬棍穿過電源和接地母線。

圖 1：當撬棍保護功能觸發時，成為所保護的線路和地面之間的低阻抗路徑，從而將過壓突波分流到地。(圖片來源：Bourns, Inc.)

撬棍保持低阻抗模式，直到電流降至「保持電流」以下，此時會返回到高阻抗、正常工作狀態。必須能夠在電源處於過壓狀態的時間內處理流過的電流。

相比之下，箝位可防止電壓超過預設水平 (圖 2) 。當暫態電壓達到箝位裝置額定的限制水平時，會箝制電壓直到故障消失，此時線路將返回正常運行模式。重要的是額定箝位電壓高於正常工作電壓。

圖 2：與撬棍相比，箝位將過壓突波限制在預定義值。(圖片來源：Bourns, Inc.)

當暫態電壓高於箝位的傳導電壓時，箝位傳導的電流剛好足以將其兩端的電壓維持在安全的所需值。該電流雖然很小，但可能會導致一些必須解決的安全相關問題，並且可能需要額外的保護，這個問題將在下面進一步討論。它必須針對特定時間必須耗散的功率提供額定，這通常是一個相對較短的暫態事件。

實作 OVP 功能

由於撬棍和箝位是關鍵的保護裝置，因此必須簡單、可靠，並且具有易於理解和一致的效能屬性。如此一來，就像經典的過電流保護元件「熱熔保險絲」一樣，常用作額外的保護層。

撬棍元件： 最常見的撬棍元件是 GDT，在密封外殼中充滿惰性氣體，經過具有精密構造和確定尺寸的火花隙。正常操作中，在 TOV 事件之前，看起來像一個近乎無限的電阻 (圖 3) 。然而，當過壓突波產生並超過 GDT 設計電壓時，氣體會電離，管子會像火花隙一樣「閃過」，從高阻抗切換到非常低的阻抗。此變化將暫時使線路短路，直到故障消失。

圖 3：GDT 是精密的火花隙裝置，僅當其端子間的電壓超過其設計值時才導通；在那之前，看起來就像一個近乎完美的開路。(圖片來源：Bourns, Inc.)

GDT 常用於直流電路、電信電路和訊號電路，所有這些電路通常都處於 1 A 以下或相當低的電流。請注意，與電影中看到的戲劇性 GDT 不同，用於低程度突波的 GDT 是一個小型封裝的印刷電路板可安裝元件，並且看不到閃光火花。較小的 GDT 的額定電壓為 75 至 600 V；較大的額定電壓可達數千伏。GDT 的一個問題是其續流電流 (也稱為保持電流) ，這是一種即使在故障消除後仍繼續流動的電流。

箝位元件：兩種最廣泛使用的箝位選項是電源暫態電壓抑制器 (PTVS) 二極體和金氧變阻器 (MOV)，這兩種元件通常用於交流和直流中的大電流保護電路、馬達、通訊線路和感測電路 (圖 4) 。MOV 的額定電壓在幾十到一千伏以上。

圖 4：金氧變阻器 (和電源暫態電壓抑制器) 提供的箝位電壓涵蓋寬廣的設計範圍。(圖片來源：Bourns, Inc.)

MOV 通常會傳導少量漏電流，即使施加的電壓遠低於其標稱閾值電壓。如果 MOV 承受超出其額定值的電壓突波，可能會發生永久性損壞，從而導致洩漏電流增加。儘管此電流通常只有幾毫安，但在某些情況下可能會造成電擊危險。

此外，如果洩漏電流夠高，則 MOV 內部將自體發熱。當 MOV 連續連接到 AC 電源時，這種自體發熱會產生正反饋，其中較高的漏電流會導致自體發熱增加，進而導致更高的漏電流。隨後的突波會進一步加速這個循環。

在某個時間點，MOV 將進入熱失控模式，產生大量熱量並損壞 MOV。在某些情況下，MOV 產生的熱量會成為潛在的點火源 (PIS) 並導致附近的材料著火。對於基本安全和安全相關標準，必須考慮和處理這種影響。

更好的 OVP 解決方案

為了提供幾乎沒有漏電流並因此具有更長使用壽命的 OVP 解決方案，設計人員通常使用雙元件佈置。這種混合方法結合了兩個離散元件：串聯的 GDT 和 MOV (圖 5) ，以及組合的電壓-時間曲線 (圖 6) 。

圖 5：串聯連接 GDT 和 MOV 的混合方法提供更有效的 OVP 解決方案。(圖片來源：Bourns, Inc.)

圖 6：混合 GDT + MOV 配置的響應與時間的關係顯示如何結合每個元件的基本響應屬性。(圖片來源：Bourns, Inc.)

這是讓每個元件補償另一個元件可能具備的缺點之有效方法。但是，此方法存在相關成本：

• 需要更多的電路板空間
• 物料清單 (BOM) 中添加了另一個元件

另一個挑戰是 MOV 和 GDT 區域的電路板佈局因監管要求定義最小沿面距離和電氣間隙而變得複雜，其中：

• 電氣間隙是空氣中兩個導電零件之間的最短距離
• 沿面距離是兩個導電零件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離

問題是電氣間隙和沿面距離隨電壓增加。因此，MOV 和 GDT 元件的放置增加了另一項要求和約束，以影響電路板佈局。

為了幫助設計人員解決這些成本、空間和監管問題，Bourns, Inc. 開發 IsoMOV 系列混合保護元件。該系列提供一種替代解決方案，將 MOV 和 GDT 結合在單喔封裝中，提供與串聯的離散式 MOV 和 GDT 等效的功能 (圖 7) 。

圖 7：IsoMOV (右) 的線路圖符號顯示為 GDT (中、左) 和 MOV (上和下、左側) 單獨標準符號的結合。(圖片來源：Bourns, Inc.)

看看 IsoMOV 的結構，就會發現它不僅是一個明顯、簡單的 MOV 和 GDT 共同封裝在一個共享外殼中 (圖 8) 。

圖 8：IsoMOV 的物理結構是混合功能的完全不同的實作，而不僅僅是兩個單獨的現有元件的共同封裝配置。(圖片來源：Bourns, Inc.)

組裝完磁芯後，連接引線，並塗上環氧樹脂。結果是熟悉的徑向圓盤 MOV 封裝，僅略厚，直徑小於類似額定值的傳統元件 (圖 9) 。此外，由於金屬氧化物技術的正在申請專利的設計，IsoMOV 元件在相同尺寸下也具有更高的額定電流。覆蓋區損失和沿面距離／間隙問題都消除了。

圖 9：IsoMOV 的徑向引線盤狀封裝看起來像標準的 MOV，但其直徑更小，並且比單獨的等效 MOV 具有更高的額定電流。(圖片來源：Bourns, Inc.)

IsoMOV 不僅是「兩全其美」，還有其他優勢。MOV 故障通常以金屬化區域邊緣出現所謂的「突波孔」為特徵，這通常是由突波期間 MOV 內部的溫度升高所引起。Bourns 獨特的 EdgMOV 技術旨在大幅減少或消除這種故障模式。

查看 IsoMOV 模型，可以取得更詳細的見解。ISOM3-275-B-L2 的最大連續工作電壓 (MCOV) 額定值為 275 rms/350 VDC；電流額定值為 3 kA/15 次操作) ，6 kA/1 次操作 (最大值) 。另外特別令人感興趣的是在 20 kHz 時的低電容為 30 pF，因此非常適合高速資料線，並且具有低於 10 µA 的低漏電流。

標準的作用

出於多種原因，從謹慎的設計實踐到各種監管標準的強制要求，設計工程師必須實施各種形式的突波 (和其他) 保護。其中有一些通用標準，適用於滿足一般操作場景的任何裝置，例如交流線路操作；其他特定於某一類應用，例如醫療裝置。標準制定組織包括 UL、IEEE 和 IEC；他們的許多標準是「統一的」，因此是相同的，或幾乎相同。

所有這些標準都很複雜，有很多要求；還包括在某些情況下的例外步驟或特點，以及必須在其他情況下添加的附加要求。例如，IEC 60950-1，「資訊技術設備 - 安全」和 UL/IEC 62368-1，以及「音訊、資訊和通訊技術裝置標準 - 第 1 部分：安全要求」 (在 2020 年取代了 IEC 60950-1) ，要求 MOV 的額定電壓至少為裝置額定電壓的 125%。因此，對於 240 V rms 電源電路，MOV 的額定電壓必須至少為 300 V rms。

考量交流電源插頭的常見情況，有兩個和三個插頭版本。理論上，三線版本提供安全接地，但實際上，該接地通常未連接或不可用。當只有火線和中性線，缺乏真正的接地安全接地連接可用時，可能會有潛在的危險。在這種情況下，有必要在設計中添加保護元件，以防止使用者觸摸應該接地但未接地的導電零件時可能遭受電擊。但是，在這種情況下，少量的 MOV 漏電流可能會導致觸電危險。

防止 MOV 洩漏電流變得如此危險的最常見解決方案是將至少一個 GDT 與 MOV 串聯 (圖 10) 。透過使用 IsoMOV 裝置，MOV 和 GDT 的功能都在一個節省空間的封裝中。因此，IsoMOV 也是一個可解決問題的元件，可簡化滿足 UL/IEC 62368-1 提出的安全要求。

圖 10：為了消除因未接地應用中不可避免的漏電流而引起的使用者電擊危險，可以將兩個裝置 (MOV 和 GDT) 串聯放置在交流火線和中性線之間。(圖片來源：Bourns, Inc.)

圖 11：使用單一 MOV 和 GDT 的替代方法是使用單一 IsoMOV 元件，獲得相同或更好的效能，提供更小的整體解決方案。(圖片來源：Bourns, Inc.)

結論

工程師的任務通常是決定哪種解決方案「最好」。在大多數情況下，權衡取捨並沒有單一、簡單的答案。一般來說，在實施過壓保護時，撬棍更適合長期故障，而箝位更適合暫態事件。然而，同時使用這兩種元件會增加覆蓋區並使電路板佈局複雜化。

然而，現在沒有必要妥協。Bourns 的 IsoMOV 比單獨的 MOV 提供更長的使用壽命，但沒有 GDT 的後續當前問題。這些元件以小覆蓋區提供滿足所有相關標準的突波和過壓保護。此外，其低漏電流最大程度地減少後續問題，而其極低的電容使其適用於保護低電壓、高速電路。