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摘 要： 摘要：為了提升電子設備抵御電涌能力，分別設計了整流橋結構、TVS管結構和TVS陣列結構等三種構造的電涌保護電路，并對三種構造RJ45型網絡接口電涌保護器(surgeprotectivedevice，SPD)進行組合波測試，對比其殘壓，其中整流橋結構下的沖擊殘壓相對于只用TVS管
摘要：為了提升電子設備抵御電涌能力，分別設計了整流橋結構、TVS管結構和TVS陣列結構等三種構造的電涌保護電路，并對三種構造RJ45型網絡接口電涌保護器(surgeprotectivedevice，SPD)進行組合波測試，對比其殘壓，其中整流橋結構下的沖擊殘壓相對于只用TVS管和TVS陣列結構偏低，但信號類SPD由于流過的是高頻信號，SPD的分布電容對信號傳輸會產生嚴重影響。結果表明：TVS陣列的分布電容比整流橋結構下的分布電容低，如果對信號傳輸保真要求不高，可以使用整流橋結構的SPD;而對信號傳輸有較嚴格要求時，應使用TVS陣列結構的SPD。
關鍵詞：信號類SPD;分布電容;殘壓;
近年來，低壓電力設備過電壓事故逐漸增加，造成了較大的直接和間接的經濟損失，日益嚴峻的形勢使得低壓系統的過電壓保護勢在必行。電涌保護器(surgeprotectivedevice，SPD)由于擁有優良的抗過電壓特性，可以在最短的時間內釋放過電壓浪涌，限制過電壓和過電流通過線路，降低設備各接口端的電位差[1]。有些學者利用波過程的理論，在二級配合試驗中的能量傳輸情況，將行波理論很好地運用在組合型浪涌保護電路中的沖擊反應過程[2-4];還有些學者從理論分析的角度對低壓配電系統中的多級電涌保護器之間的能量配合作了分析[5-8];李博[9]、葉挺[10]等認為浪涌保護器之間進行能量配合的關鍵是調整好氣體放電管與TVS管之間的啟動時間，避免使TVS管遭受過大的能量而導致損壞。因此，為了增強電子設備抵御雷電電涌的能力，通過對各類SPD的設計與測試，合理分配前后級SPD的能量分配，優化現有信號SPD電路組合就顯得尤為重要。
1工作原理與結構設計
為測試不同的SPD組合電路吸收過電壓能量的效果，優化SPD保護電路，設計了三種SPD組合電路。RJ45網絡接口SPD的工作原理主要分為三種。第一種整流橋結構的SPD工作原理是：雷電流經過網絡接口傳入時，氣體放電管作為第一級SPD將雷電流大部分能量泄放入地，剩余一部分雷電流通過線路流經第二級上的TVS管，TVS管主要起到線間箝位的作用;但由于氣體放電管的響應時間大于TVS管，這往往導致氣體放電管與TVS管的級間配合產生問題，氣體放電管來不及響應，大電流沒有通過氣體放電管直接通過TVS管，造成器件損壞。因此需要在氣體放電管與TVS管之間連接上一個電阻，電阻的作用可以提升施加在氣體放電管兩端的電壓，使其快速啟動(見圖1a)。
第二種TVS管結構的SPD的工作原理是：雷電流經過網絡接口傳入，氣體放電管將雷電流大部分能量泄放入地，TVS管起到限制線間電壓的作用，整流橋的作用是改善電路的分布電容，電阻的作用是使施加在氣體放電管兩端的電壓增大，從而使其快速啟動(見圖1b)。
第三種TVS陣列結構的SPD的工作原理是：雷電流經過網絡接口傳入，氣體放電管將雷電流大部分能量泄放入地，TVS陣列起到限制線間電壓的作用，電阻的作用是抬高放電管對地的電壓使其快速動作(見圖1c)。
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圖1三種構造中，放電管的直流啟動電壓為75V，電阻大小為2.2Ω，1/4WTVS和TVS陣列的啟動電壓均為12V。對于敏感的電子系統，其線間的電壓一般不超過幾十伏，很多參數的選擇都是折中的結果。比如放電管直流啟動電壓為75V，這是考慮到其響應時間和通流容量兩個參數，啟動電壓越低其響應的時間將會減少，但與此同時其通流容量也會相應的降低。在考慮了其響應時間和通流容量的問題后，選擇75V的直流放電電壓。對于電阻的選擇也是同樣道理，電阻太小可能會使放電管響應時間延長或無法正常啟動;反之電阻太大會影響正常的網絡信號。鑒于此，參考文獻[11]后選擇了2.2Ω的電阻。
2試驗測試
完成了前期的設計和制作工作后，需進行一系列的對比測試，按照相關測試標準[12-13]對各個模板進行殘壓測試。隨著測試電壓的升高，放電管的殘壓值和SPD的殘壓值也隨之上升，其殘壓的最大值應在設備所能耐受電壓的范圍內。分析RJ45網絡接口SPD的沖擊電壓與殘壓的關系，即氣體放電管的正負極性沖擊電壓與所得殘壓的關系(圖2)。由圖2可以看出，氣體放電管兩端的殘壓隨沖擊電壓增加而增加。當正極性沖擊電壓達到4.5kV時，放電管兩端殘壓達到最大，為185V;當負極性沖擊電壓達到4.5kV時，氣體放電管兩端殘壓達到182V。TVS管的承受電壓壓在2kV左右[14]，以上殘壓均在TVS管能承受的電壓范圍之內，不會對TVS管構成損壞。綜合圖3可以看出，不管是在正極性還是負極性沖擊電壓下，三種結構的SPD的殘壓隨著沖擊電壓的增加穩步上升，其中TVS管結構與TVS陣列結構的在同等沖擊殘壓下的殘壓相近。
信號類SPD由于流過的是高頻信號，SPD中的電容會對信號的傳輸產生影響[15-16]，因此評價一款SPD的性能好壞除了殘壓之外還需要考慮SPD的分布電容大小[17]。根據圖1中3張原理圖分析總的分布電容的大小。
整流橋結構的SPD總分布電容C=Ca+Cb=892.5pF，TVS管結構的SPD總分布電容C=Ca+(Cb+Cc)/(Cb×Cc)=34.1pF，TVS陣列結構的SPD總分布電容C=Ca+Cd=4.5pF，其中C表示總的分布電容，Ca表示放電管的分布電容，Cb表示整流橋的分布電容，Cc表示TVS管的分布電容，Cd表示TVS陣列的分布電容。
3結
(1)對整流橋、TVS管和TVS陣列結構的SPD進行了組合波形下的沖擊試驗，發現采用整流橋結構的SPD的殘壓與采用TVS陣列結構的SPD的殘壓基本相同;但由于信號類SPD中流過高頻信號，高頻信號下，SPD的分布電容對信號的衰減作用很明顯，整流橋結構SPD的分布電容是TVS陣列結構下的7倍。
(2)如果對信號傳輸保真不是特別嚴格，可以使用整流橋結構的SPD，而對信號傳輸有比較嚴格要求時應使用TVS陣列結構的SPD。——論文作者：盧睿，吳舒婷，李苗苗