摘要：  本文对瞬变威胁理念特征和可抑制瞬变电压新型保护器件与技术及应用作说明，并以拓宽抑制瞬变电压的应用-对数据中心机房电源的维护要领为例作分析介绍。

关键字：  瞬变，抑制保护，分布式，预测性

1 瞬变威胁的挑战
如今元器件的小型化导致对电应力越来越敏感，这些元器件工作在低电压下，因此必须控制电压干扰，防止潜在的或者火灾性的故障。例如微处理器的结构和导电路径不能够处理ESD瞬变产生的高电流。目前正以指数级的速度使用微处理器等敏感元器件，这是以前所不能想像的，从家用电器，到工业控制乃至通信电源设备都开始使用微处理器来提高功能和效率。又如现在的车辆应用了许多系统来控制发动机、温度、制动，有时甚至来控制转向系统，而其改进的目的也是为了提高效率。但这些设备或装置（如车辆牵引控制系统）均是将安全放在首位，然而这安全性与瞬变威胁源的存在有关。也就是说上述的家用电器，到工业控制乃至通信电源设备在提高效率的同时又成了受瞬变电压威胁危害的目标或对象。应该说，受瞬变威胁电压波动和闪变所造成的危害或影响，可概括为：电照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳甚至难以忍受；电视屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化；电动机转速不均匀，影响产品质量甚至损坏电动机；计算机、监测和控制设备数据丢失或荡机运行不正常等。从而出现多种灾害性故障。因此，面对这新的挑战，其家用电器、工业控制乃至通信电源设备的设计与维护必须应用新的保护元件与技术对其瞬变威胁源作抑制与防护，才能确保电路设备安全可靠的运行。
为此本文将对瞬变威胁源理念特征和可抑制瞬变电压新型保护器件与技术及其在工业、通信电源设备中的应用选择作说明，并以拓宽抑制瞬变电压的应用-对数据中心机房电源的维护要领为例作分析介绍。首先从瞬变威胁源理念述起。
*什么是瞬变?
电压瞬变定义为持续时间极短的电能浪涌是所在贮能量的突然释放的结果，或者是通过其它方式所产生，例如突然开关电感性负载或者出现雷击。其感应瞬变电压会毁坏电子器件、操作马达、发电机等或导致电抗电路元件经常会反复瞬变。另—方向，闪电（见图1所示闪电瞬变波形）和静电放电（ESD，见图2所示的测试波形）会造成随机瞬变。
而闪电和静电放电通常会意外发生，对其需要有作好准备测量的监测装置或设施，特别是在电路板级感应瞬变电压的情况下尤其如此。当今许多电子电路、模块或整机己制定出具备对瞬变电压进行测量或监控的标准。而表1中显示瞬变威胁源（雷击、开关、电磁核爆及ESD）的特征多种参数（电压、电流、上升时间及宽度）幅值。
表 1  为瞬变威胁源的特征多种参数幅值
 电压 电流 上升时间 宽度
雷击 25伏 20千安 10微秒 1000微秒
开关 600伏 500安培 50微秒 500000微秒
电磁核爆 1千伏 10安培 20ns 10000ns
静电放电 15千伏 30安培 <1ns 100ns

*瞬变电压峰形特征
从图1（为闪电峰形）与图2（为ESD峰形）可知瞬变电压峰形特征通常表现为“双指数”波形。闪电的指数上升时间范围为1.2微秒至10微秒，宽度范围为50微秒至1000微秒。而ESD的波形宽度要窄得多，上升时间区已经精确到1.0ns。总宽度大约为100ns。
特别需要说明的是，由于瞬变电压峰形特征危害性增大，导致各类电子与通信设备中各种元器件技术的脆弱性也充分呈现（见表2列举了各种元器件技术的脆弱性数据），从而引发有更多制造厂商与相关人员对“瞬变”的极大关注。
表 2  列举了各种元器件技术的脆弱性数据
器件类型 脆弱性（伏）
VMOS 30-1800
MOSFET 100-200
GaAsFET 100-300
EPROM 100
JFET 140-7000
CMOS 250-3000
肖特利二极管 300-2500
双极型晶体管 380-7000
硅控整流器 680-1000

2 各种环境产生瞬变电压的典例
*ESD（静电放电）
静电放电的特征是上升时间很快，峰值电压和电流很高。由物体间不平衡的正、负电荷产生此能量。下面是可能产生电压的几个示例，它与相对湿度(RH)有关：
•在地毯上行走：35千伏@RH=20％；1.5千伏@RH=65％。
•在乙烯基地板上行走：12千伏@ RH=20％；250伏@RH=65％。
•在椅子上的工人：6千伏@RH=20％；100伏@ RH= 65％。
•乙烯基封套：7千伏@RH=20％；600伏@RH=65％。
•从桌子上拾起的聚乙烯袋：20千伏@ RH=20％；1.2千伏@RH=65％。
通过与表2对照可知，日常活动产生的ESD瞬变电压会远远超过标准半导体技术的脆弱性幅值。而其图2的示意只是根据IEC61000—4-2测试规范定义的ESD波形。
 *开关电感性负载
它会导致所存贮的能量发生瞬变。如车辆内的其它开关电感性负载时会产生高能瞬变，随着负载增加其幅度也增加。关闭电感性负载时，雪崩磁场被转化为电能，其形式为双指数瞬变。根据源的不同，瞬变可能达到几百伏、几百安，时间宽度可达到400毫秒。引发电感瞬变的典型装置包括：发电机、马达、继电器及变压器等。在电力电子系统中，上述例子是非常普遍的，并且由于不同应用其负载的大小不同，实际瞬变所产生的波形、宽度、峰值电流和峰值电压也不同，若对这些变量进行近似值的选择，便可以选用适当的抑制技术。又如汽车充电系统交流发电机内直流马达（例如，电动锁、座、窗等直流马达电动调节设施）也会造成类似瞬变电压的波形。需要指出的是直流马达在不同的应用中也会产生瞬变，而对其敏感电子元器件造成的危害不亚于外部环境造成的瞬变。
*闪电感应瞬变
发生雷击时会产生电磁场，它将会在附近的电线内产生大幅度的闪电感应瞬变，该闪电感应瞬变的破坏作用也不亚于雷击直接的危害。即使1英里(1.6km)远的电击也会在电缆内产生高压。该类雷击产生的闪电感应瞬变远大于云间雷击产生的瞬变。图3为云与大地之间雷击产生的闪电感应瞬变示意图，该闪电感应瞬变远大于云间雷击产生的瞬变，其闪电感应瞬变干扰脉冲电流可达5千安/20μs。
3 适用于瞬变威胁保护器件与技术的选择
由于瞬变和应用各不相同，在不同的应用中需要使用具有不同特征的保护器件。不少著名厂商（如StarHope公司等）提供了广范围的电路保护技术。具体瞬变过压保护器件与技术如下：
•分布式TVS(TranSient Voltage Suppressor)二极管  “TVS瞬态抑制二极管”是一种高品质的突波吸收器，以二极管（伏安特性）并联在电路中。自然界的感应雷击、静电释放、电子装置的电流浪涌都让现代电子系统面临严峻的考验。在电路中产生瞬态电压时，TVS利用雪崩原理，以P秒级的反应速度瞬间起到分流限压作用、从而保护负载不被损坏。它的特性曲线见图4所示。
TVS二极管有单向和双向之分，单向TVS管的特性与稳压二极管相似，双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联。双向TVS管可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制到预订水平。双向TVS管适用于交流电路，单向TVS管一般用于直流电路。TVS二极管用于电信和广播系统中，它是硅雪崩二极管技术，具有表面安装和轴向引线式封装形式。器件可以提供中到高能瞬变保护，适用于各种应用。
TVS二极管产品主要有：SMAJ等系列型号10多种。其产品广泛应用于通信、电脑，仪器仪表，汽车电子，开关电源、防雷及楼宇安防产品。
•Varistor/压敏电阻 金属氧化物压敏电阻(MOV)陶瓷技术包括螺丝端子、径向、方形和轴向引线等各种形式。提供了中到高能额定值，适用各种应用。
•表面安装MOV 金属氧化物压敏电阻(MOV)陶瓷技术具有大范围的额定电压值，提供了中到高能额定值，适用于各种应用。
•MLV 金属氧化物压敏电阻瓷技术，具有各种表面安装封装。只有较低的电压范围和增强的性能、滤波特征，适用于要求低到中等能量瞬变的应用。
•Sprfk Cap/玻璃放电管 将半导体S1集成气体放电管里，使该产品集气体放电管的大浪涌电流和半导体的高响应于一体，并具有低电容。主要应用高数据传输速率。
•TVSARRAY 是硅雪崩二极管技术，具有表面安装多针封装形式。适合要求多线ESD保护和最低嵌位电压的应用。
•Thyristor器件 是可控硅雪崩技术，为贯穿孔的封装形式如TO-220型。它可以提供中到高能瞬变保护。如其典型的Thyristor器件（如SIDACtor型）是专用于电信和数据传输系统的瞬变抑制，具有“短路器”特征的新型抑制器。
•GasTube气体放电管 是等离子气体技术，具有表面安装、轴向引线、径向引线和特种封装形式。它具有的等离子气体技术可以提供高浪涌额定值。
4 新型防雷保护方案例举
4.1 保护器件的应用
抑制器件可以采用径向模式或者金属式，或者同时采用两种模式。在某些应用中保护器件需要采用分级（分阶）配置。分级方案（见图5为分级保护解决方案示例和图6分级环境解决方案。）中充分利用了各技术的特点，以保证最完整的解决方案。图5中分2RM230L-8与保险丝或PTC及5KPC三级保护。
图6分级环境解决方案包含了：MDF一级保护实例，即陶瓷气体放电管、玻璃放电管、压敏电阻；电路板级二级、三级保护实例，即半导体放电管、TVS瞬态抑制二极管、TVSARRAY静电保护器、VARISTOR压敏电阻。
4.2 用于通信电源设备保护  
值此仅列举RS485通信保护方案、视频保护方案与电源防雷方案等3种方案示意图及保护元件的选用。
*RS485通信保护方案（见图7所示）
RS485防雷方案中所使用的瞬变保护器件见表3所示。
表 3  为RS485防雷方案中所使用的瞬变保护器件
类型 GDT PPTC TVS
常规插件 C6M09R K250-120U P6KE6.8CA
常规贴片 3SPC090F MSM014/MSM020 SMBJ6.0CA
电容型（贴片） 3SPC090F MSM014/MSM020 P0080SB

*视频保护方案（见图8所示）
视频保护方案中所使用的瞬变保护器件见表4所示。
表 4  为视频保护方案中所使用的瞬变保护器件
视频保护方案（20M以下速率）
类型 GDT PPTC TVS
插件 C6M09R K250-120U P0080EA
贴片 3SPC090F MSM014/MSM020 P0080SA
高速传输型(>20M) 3SPC090F MSM014/MSM020 GBLC05C

*电源防雷方案（见图9所示）
表 5  为电源防雷方案使用的瞬变保护器件
类型 MOV GDT
插件(220V) 14D471K B5L60R
插件(110V) 14D271K B5L23R

4.3 拓宽抑制瞬变电压的应用-对数据中心机房电源的维护要领
在通信行业中，人们通常把电源比喻为通信系统的“心脏”。通信电源质量的稳定与否，对整个通信网络系统的稳定和畅通至关重要，直接影响到通信的安全和通信质量，因此必须做好通信电源各个设备的维护工作，以保障通信电源持续稳定地运行。值此就通信电源主要设备的维护要求与要领作介绍。
*关于防雷与接地的预测性维护 
应作预测性维护测量电压瞬变或突降，电压瞬变突降是指有效电压持续时间为1周期直至2分钟的瞬间减小现象。添加负荷时，可能没有通知电厂管理机构，且这些负荷可能使系统电压下降，尤其是如果它们吸入大冲击电流时更甚。另外，随电子系统的老化，其阻抗可能增加，使系统对电压瞬变突降更加敏感。它们有什么作用？电压突降可能导致：电子设备（如计算机或控制器等）假性复位；三相负荷一相或者两相发生电压突降时，会导致其余相吸入更高电流，以进行补偿。这可能使过流保护装置脱扣。因高频切换而导致后备电源系统UPS的寿命缩短。
•应用便携式监视仪可执行预测性维护 通过固定安装的监视器网络可以获得预测性维护的最大利益，一个方法是，将一台监视仪带到需要检查电能质量的位置（可变速驱动器、计算机控制设备或UPS的输出处，等等），监视一段合理时间（24小时或48小时）并对监视数据进行归档。通过将这种调查重复几个星期或几个月，将会得到几个电力调查数据库。可以将它们导入到预测性维护软件中，并对每个位置的指数进行绘图。通过指数将会指示出电能质量是正在提高还是下降并查找出有问题的设备。
•通信电源系统的各个设备都需要采取避雷措施，因此对整个系统的接地系统要求比较高，中国电信的《电信电源维护规程》（以下简称《规程》）中对各类通信局站的接地电阻值都做了具体的要求。目前维护人员使用最多的接地电阻测试仪表是瑞士LEM公司的GEOX系列双钳口接地电阻测试仪。这类地阻仪具有既可打辅助地桩，也可不打辅助地桩、大钳口、高精度、抗干扰、智能化等特点，完全适合维护人员对于电力机房的接地维护时使用。
*关于变配电设备的维护
变配电设备作为交流供电系统的重要部分直接关系到直流供电的情况，因此规程中对高压配电设备、低压配电设备、交流稳压器的维护等都做了相应的规定，并对其中某些重要的项目，例如：交流供电和用电设备的相序、电缆通电部位检测、电力电缆绝缘检测等都进行了详细的规定。可以看出，在日常的变配电设备的维护过程中，除了要用到交直流钳型表以外，还应当用到以下的仪表：其一是高低压试电笔。高低压试电笔主要用于检查带电母线的通电部位，其二是相序表，相序表主要用于测试交流电的相序。其三是数字兆欧表。数字兆欧表主要用于测试电力电缆的绝缘情况。其四是非接触式红外测温仪。红外测温仪主要用在测量通信系统的动力设备一一高压、低压、整流设备的各个主要部件，例如：高压开关柜、断路器、熔断器、电缆接头等的温度，避免因为温度提高而造成设备损坏。
*关于供电质量标准的测定
要向通信设备不间断地供电，首先要保证供电质量符合标准。在《规程》中，对直流电源电压、直流供电回路接头压降（直流配电屏以外的接头）、交流市电电源以及交流油机电源等的供电标准中的电压、杂音电压、频率、功率因数等各项参数都做了详细的要求。同时，规程中相关条例也对三相供电电压不平衡度、电压波形正弦畸变率等参数进行了详细的规定。从以上的标准要求可以看出，在对日常供电质量的测试中，需要使用以下的测试仪器仪表：万用表、交直流钳型表、杂音计、电力质量分析仪、示波器。在此仅对杂音计、电力质量分析仪使用要领作介绍。
•杂音计 主要用于测试整流设备及直流交换器输出电压中的脉动成分，即杂音电压。目前市场上杂音计主要有模拟式和数字式之分，模拟式杂音计体积较大，重量较重，但测试指标多，而且精度高。数字杂音计主要有FZY—120及FZY—120A，它具有轻巧便携、测试简单、直观显示等特点。维护人员可根据自己的喜爱选择使用。当今主要常用的有FZY—120及FZY—120A型二种。
•电力质量分析仪 电力质量分析仪主要用于单相、三相功率测量、电压事件捕捉、谐波测量、三相不平衡度测量等方面。这类分析仪具有操作简单、功能齐全、测试精确等特点，非常适合基层的维护人员使用。