淺談氣體放電管在電源電路中的應(yīng)用【君耀電子】

淺談氣體放電管在電源電路中的應(yīng)用【君耀電子】

摘要：通過(guò)實(shí)際的反饋案例說(shuō)明陶瓷氣體放電管在電源線路應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的失效或燒毀現(xiàn)象，其主要原因?yàn)樘沾蓺怏w放電管的某些特性容易在設(shè)計(jì)之初被忽視；淺析了在電源線路防護(hù)時(shí)，陶瓷氣體放電管的重要作用，以及絕緣電阻和耐電壓試驗(yàn)的電壓與陶瓷氣體放電管的電壓選擇

 陶瓷氣體放電管（Gas Discharge Tubes）GDT俗稱防雷管，采用陶瓷密閉封裝，其內(nèi)部充有惰性氣體，當(dāng)放電管的兩端出現(xiàn)異常過(guò)電壓的時(shí)候，內(nèi)部的惰性氣體會(huì)擊穿，此時(shí)放電管兩電極間形成低電阻通道，將浪涌電流泄放，從而保護(hù)后端的電子電路。

因?yàn)镚DT有浪涌泄放能力強(qiáng)、絕緣阻抗高及結(jié)電容低的特點(diǎn)，在電子產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用。它經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在電子產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)接口、電話接口、工業(yè)控制總線等信號(hào)線路中，也會(huì)出現(xiàn)在電子產(chǎn)品的交流或直流電源接口中。通過(guò)對(duì)近幾年客戶的調(diào)查和反饋，我們發(fā)現(xiàn)有些工程師對(duì)放電管的認(rèn)識(shí)存在一定的誤區(qū)，特別是放電管在電源接口的應(yīng)用上，我們通過(guò)幾個(gè)典型的案例來(lái)進(jìn)行了解和分析：

        1） 2009年，北京一位儀表產(chǎn)品研發(fā)的工程師，反饋他們的儀表自從安裝以來(lái)的3個(gè)月時(shí)間里，陸續(xù)從現(xiàn)場(chǎng)返回很多臺(tái)燒壞的設(shè)備，比率接近10%，燒壞的電路是AC220V接頭到放電管部分，此部分的PCB銅箔多數(shù)燒完或燒斷，導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法工作；部分燒毀的電路如圖1

       2）2010年8月，一位工程師反饋他們所生產(chǎn)的一款工業(yè)交換機(jī)的DC48電源電路燒毀嚴(yán)重，毀壞的電路也是電源頭到放電管的回路部分，半年左右從現(xiàn)場(chǎng)返回的不良比率5%左右；

                                                       圖1   燒毀的電路板

類似的案例近幾年屢次發(fā)生，損壞的比率往往要高于正常返修率的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，因此這些產(chǎn)品的質(zhì)量事故都對(duì)企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，也對(duì)企業(yè)的品牌形象有較大的負(fù)面影響。

       通過(guò)對(duì)損壞產(chǎn)品的電源電路進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)有一個(gè)共同點(diǎn)：即所采用的GDT都直接跨接在電源線路兩端，如下圖，（其中圖2（b）零線火線如果接反，GDT相當(dāng)于接在火線）。這種設(shè)計(jì)很明顯忽視了放電管的續(xù)流問(wèn)題，即當(dāng)放電管動(dòng)作后，續(xù)流的維持電壓可能低至10-30V，在上述兩個(gè)例子中電源的電壓都滿足這個(gè)條件，因此就會(huì)出現(xiàn)即使在過(guò)電壓消失以后，放電管仍然有可能維持短路的狀態(tài)。

大家知道短路的時(shí)候電流通常會(huì)很大，這個(gè)時(shí)候通常會(huì)燒保險(xiǎn)絲，如果沒(méi)有保險(xiǎn)絲或者用的保險(xiǎn)絲的電流過(guò)大，可能先燒壞印制板。總之這種情況一旦發(fā)生，產(chǎn)品必然沒(méi)有辦法繼續(xù)工作，需要返修或者更換。

       因此為了解決GDT續(xù)流的問(wèn)題，需要在電路中與它串聯(lián)另一種保護(hù)器件（壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管等），這種器件需要能在過(guò)電壓消失的時(shí)候自動(dòng)關(guān)閉，如下圖4經(jīng)典的“3+1”結(jié)構(gòu) ---3顆壓敏電阻和1顆陶瓷氣體放電管組成的差模和共模防護(hù)：

                                                圖4 經(jīng)典的3+1結(jié)構(gòu)

       我們知道1.壓敏電阻的漏電流會(huì)加速壓敏電阻的老化；2.共模接地的壓敏電阻的漏電流會(huì)導(dǎo)致機(jī)殼帶電。因此不管從壽命角度還是從安全角度，減小共模漏電流非常重要。而這里的壓敏的漏電流主要有兩個(gè)部分：直流漏電流和交流漏電流。直流漏電流和絕緣電阻相關(guān)，交流漏電流主要和寄生電容相關(guān)，此處的MOV1和MOV2共用的GDT，因絕緣阻抗1G甚至10G歐以上，結(jié)電容低至0.5pf，能近乎完美地消除這兩種漏電流，提高安全性和可靠性。

       我們注意到MOV3沒(méi)有與GDT串聯(lián)，是不是也可以同樣增加GDT ？或者說(shuō)圖5和圖6哪個(gè)更好？因?yàn)椴钅５穆╇娏饔绊懙氖枪�耗和壽命，不至于影響人身安��，又因�(yàn)榇��?lián)后或多或少會(huì)影響防護(hù)的響應(yīng)速度，因此差模中的放電管可以視被保護(hù)的電路特點(diǎn)來(lái)決定是否添加。

       另外我們知道浪涌防護(hù)電路的開啟電壓越低，其動(dòng)作起來(lái)會(huì)越快，比如圖4中的MOV通常選型470V或560V，GDT為470V或600V，但是很多電子產(chǎn)品在申請(qǐng)相關(guān)認(rèn)證的時(shí)候被要求做絕緣電阻和耐電壓試驗(yàn)，這屬于一項(xiàng)最常規(guī)的安規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目，其中需要在電源線和金屬機(jī)殼之間施加短時(shí)間高壓，高壓通常是工作電壓的幾倍以上，比如1500VAC，要求泄漏電流不超過(guò)一定規(guī)范（一般要求5mA-20mA）。

       當(dāng)在施加AC1500V（峰值電壓超過(guò)2KV）的耐電壓試驗(yàn)時(shí)，因?yàn)镸OV和GDT已充分擊穿，所以產(chǎn)生的電流會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)5mA的要求，因此試驗(yàn)結(jié)果肯定會(huì)被判為不合格，我們也因此接到過(guò)很多例類似的案例咨詢。針對(duì)這種電路，最為簡(jiǎn)單和有效的方法是將GDT的擊穿電壓調(diào)整到2500V或以上，這樣可以兼顧兩種試驗(yàn)性能要求的同時(shí)，也可以保證封裝的基本一致。

       GDT在電源接口的應(yīng)用不限于以上幾種情景，在電子產(chǎn)品的GND與PGND之間安裝GDT，當(dāng)兩者之間突現(xiàn)高壓的時(shí)候，可以提供瞬間的等電位，避免打火等安全隱患。

       總之，在電源電路中GDT的作用廣泛，可以提高產(chǎn)品的安全性、工作壽命等，但如果應(yīng)用不當(dāng)，不但起不到保護(hù)作用，反而可能帶來(lái)意想不到的問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)之初了解周全，是提高產(chǎn)品可靠性的必要條件，也是避免麻煩的最好的辦法。