電壓過載的問題

電子元件一直以來的設計都是在特定的電流及電壓條件下方可適當地發揮其功能。當電力特性在操作過程中超出設計值時，這些元件可能因此受損而不堪使用，並且使得設備停機無法運作。就過電流的反應而言，聚合體PTC自復式元件與這些電路元件串聯提供可行的方法，以利用電阻值由低增高進而阻斷電流。

相反地，堅固的閘流體過壓吸收器亦可與這些元件並聯，在發生過電壓突波時，可迅速地將電阻值由高轉低。在電信設備的應用上，會造成電壓過載的主要原因包括雷擊、交流（AC）電源線以及地線之間的電流移轉。當閃電擊在電信設備周圍時，雷擊有可能直接地與電信纜線接觸引發突波，或是感應造成電壓勢能的增加。

與雷擊產生突波相類似的情況還有交流電（AC）纜線也可能會造成電源接觸或是引起電源感應。除此之外，由於電信系統的設備及元件也會將電力移轉至系統的地電位中，更加需要過壓保護。以下就過壓保護器、SiBar過壓元件的結構與運作模式，以及各類電信驗證規範進行討論。

過壓保護器

過壓保護器有二種：箝拉電路器（clamping）及電流折返器（foldback）（或「電能放電式（crowbar）」）。箝拉電路器可容許電壓上升至設計的壓限值，像是金屬氧化物的突波吸收器和二極體就是這一種；電流折返器的元件像是氣體放電管和閘流體突波吸收器，當面臨突波電壓大於崩潰電壓時，其工作就如同分路器。電流折返器的電流－電壓特性曲線圖如(圖一)所示。

《圖一 電流折返器的電流－電壓特性曲線圖》

在迴路電壓低於崩潰電壓時，正常的電流折返器是處在高電阻的狀態。在這個狀態下，只有微量的電流能通過該元件。當迴路的電壓超過崩潰電壓時，該元件會「折返」（fold back）或是轉變成低電阻的狀態，將過大的電流由此導除，不任其流經敏感的通信電子設備。該元件也會一直維持在低電阻的狀態，直到電流值降低至迴路的特定承載值為止。

評比

電流折返器比箝拉電路器更好用，因為當分路器在迴路中導除危害性突波時，它所產生的電壓值很低。因此在電流折返器中消耗掉的能量比箝拉電路器低許多，這使得元件在導除等量電流時可以採用更小的元件。

電流折返器除了尺寸較小，消耗的能量較少之外，在特定尺寸的矽晶片中，電流折返所具有的電容量和成本也相對較低。以瑞侃的SiBar閘流突波吸收器（TSP）為例，正是這種型式的電流折返器。

元件的結構與運作模式

要了解SiBar元件如何協助電信設備達成工業規範的要求，請參考(圖二)中所示閘流體晶片內的四個對稱層結構。首先先看對稱「晶片」的左手邊，圖中很簡單地描繪著二個電晶體以及一個P型電阻，進一步說明請參考(圖三)及(圖四)。

《圖二 閘流體晶片的基本結構圖》

《圖三 閘流體晶片的側視圖》

《圖四 閘流體晶片的等效電路圖》

在正常操作時，電壓跨越在晶片二端，當電壓自陽極往陰極增加時，PNP電晶中突來的崩潰使得電流I開始流通。自陽極突來增加的大量電流流經PNP電晶體，而後再經P型電阻到陰極。因電流I之流通，跨越P型電阻二端的電壓在NPN電晶體上形成"ON"的偏壓狀態。當NPN電晶體上的偏壓形成"ON"時，PNP晶體立即轉態形成"ON", 使元件"折返"成通路。由於PNP晶體上的電流驅動NPN晶體而使該元件保持"ON"的電路，NPN晶體上的電流亦會驅動PNP晶體的狀態。

過壓保護器並不僅只於設計來保護電信系統的電路，同時也可應用在個人及用戶端維護管理上。除此之外，它們必須要符合許多需求，包括：不干擾正常運作中的電信服務、提供免維修的功能、減少維修時間及系統的當機時間、降低長期安置的成本費用，以及讓機構設計工程師能夠輕易地符合工業標準的設計要求等，以下將詳述各類電信驗證規範。

各類電信驗證規範

許多驗證單位的規範被強加於電信通路之上，用以模擬當雷擊、電源交錯和電源感應所引發的電信危機。最常見的規範包括Bellcore GR1089、Bellcore GR974, FCC Part68、UL1459、UL497/497A/497B、ITU K.11、ITU K.20/K.21以及ITU K.28。

(表一)所示是專為電信系統應用所設的規範標準。為發展二級過電壓保護的應用，SiBar突波吸收器的設計，正是協助電信設備能夠達到ITU所建議K.20及K.21二項之標準，並可與PolySwitch TR600-150-RB元件配搭使用，達成UL1459及FCC Part68的規範要求。

二類測試條件

各驗證單位對於雷擊、搭接電源交錯及電源感應之測試所作的規範，可以分成二類測試條件。這些測試通常稱之為"Type A"測試及"Type B"測試。"Type A"測試與常見的故障成因有關；設備系統必需通過這些測試，並在要求的測試條件下仍能正常運作。"Type B"測試的對象是一些較少見，並更為嚴重的故障成因；當設備系統在進行這些測試時，設備不能起火，但並不要求在經過這些測試後必需繼續運作（雖然如此，在測試後設備能繼續運作仍然是眾人所期待的結果）。

在面對瞬間電流變換的突波時，閘流體會「折返」成為一條低電阻的路徑，任其大電流流向地線。電路必需具有足夠大的電阻，以限制造成故障的電流低於閘流體額定的尖峰脈衝電流值（Ipp）。過電流吸收器在面對因雷擊而產生的脈衝時，通常並不會引動。

電擊影響

雷擊的波形是由通路條件下的尖峰電壓值、短路狀況下的尖峰脈衝電流值（Ipp），以及通路與短路的波型所界定。波型的具體描述是藉由波鋒 － 即上升時間與常數1.25的乘積（R×1.25），以及遞減時間－即從電流的起始值到電波降為尖峰值（IPEAK）之50%所需的時間D。

舉例而言，一個10/1000 100安培的波型來說，其尖峰電流值為100安培，有一個10s的波鋒（R =8s），且其延時D=1000s。(圖五)所示為一典型因雷擊產生的過電流波形。

為了對雷擊產生的波形有更完整的定義（經電源加以模擬），通路時的電壓及波形必需先確定，短路時的電流與波形亦是如此。波形下所含的面積愈大，就表示愈多的電能被傳送進系統當中，亦就是需要更多層的保護。(表二)所示為各種雷擊突波的規範要求。

《圖五 雷擊產生的過電流波形》

結語

過壓吸收器的設計是將其與元件並聯使用，在特定的電壓值範圍內限制流入電信系統電路的電壓大小，如(圖六)所示。過壓吸收器在正常的操作環境中，所表現出來的是一個電阻值相當大的電阻，但實際上它卻是一個開路。一旦發生電壓過載時，過壓吸收器隨即改變本身的電阻值大小，將電流轉向導入鄰近的保護迴路中，並流入地線。

《圖六 過電流及過電壓吸收器的典型配置圖》

過電流保護器的設計目的就在具有避免電流對設備系統造成損害及起火的特性。設備能否正常運作需視系統參數、故障等級、故障延時以及過流元件與過壓元件間的交互功能而定。對電源感應及電源碰觸而言，如果故障電壓低於元件的崩潰電壓，閘流體就會維持在高電阻的狀態下。如果故障電壓超過了元件的崩潰電壓時，突波電流導入過電流吸收器中，本身並將具危害性的電能自電路分流而出。(本文由泰科電子瑞侃元件部提供)

註：相關資料請參考SiBar的應用說明（www.circuitprotection.com）