电压过载的问题

电子元件一直以来的设计都是在特定的电流及电压条件下方可适当地发挥其功能。当电力特性在操作过程中超出设计值时，这些元件可能因此受损而不堪使用，并且使得设备停机无法运作。就过电流的反应而言，聚合体PTC自复式元件与这些电路元件串联提供可行的方法，以利用电阻值由低增高进而阻断电流。

相反地​​，坚固的闸流体过压吸收器亦可与这些元件并联，在发生过电压突波时，可迅速地将电阻值由高转低。在电信设备的应用上，会造成电压过载的主要原因包括雷击、交流（AC）电源线以及地线之间的电流移转。当闪电击在电信设备周围时，雷击有可能直接地与电信缆线接触引发突波，或是感应造成电压势能的增加。

与雷击产生突波相类似的情况还有交流电（AC）缆线也可能会造成电源接触或是引起电源感应。除此之外，由于电信系统的设备及元件也会将电力移转至系统的地电位中，更加需要过压保护。以下就过压保护器、SiBar过压元件的结构与运作模式，以及各类电信验证规范进行讨论。

过压保护器

过压保护器有二种：钳拉电路器（clamping）及电流折返器（foldback）（或「电能放电式（crowbar）」）。钳拉电路器可容许电压上升至设计的压限值，像是金属氧化物的突波吸收器和二极体就是这一种；电流折返器的元件像是气体放电管和闸流体突波吸收器，当面临突波电压大于崩溃电压时，其工作就如同分路器。电流折返器的电流－电压特性曲线图如(图一)所示。

《图一 电流折返器的电流－电压特性曲线图》

在回路电压低于崩溃电压时，正常的电流折返器是处在高电阻的状态。在这个状态下，只有微量的电流能通过该元件。当回路的电压超过崩溃电压时，该元件会「折返」（fold back）或是转变成低电阻的状态，将过大的电流由此导除，不任其流经敏感的通信电子设备。该元件也会一直维持在低电阻的状态，直到电流值降低至回路的特定承载值为止。

评比

电流折返器比钳拉电路器更好用，因为当分路器在回路中导除危害性突波时，它所产生的电压值很低。因此在电流折返器中消耗掉的能量比钳拉电路器低许多，这使得元件在导除等量电流时可以采用更小的元件。

电流折返器除了尺寸较小，消耗的能量较少之外，在特定尺寸的矽晶片中，电流折返所具有的电容量和成本也相对较低。以瑞侃的SiBar闸流突波吸收器（TSP）为例，正是这种型式的电流折返器。

元件的结构与运作模式

要了解SiBar元件如何协助电信设备达成工业规范的要求，请参考(图二)中所示闸流体晶片内的四个对称层结构。首先先看对称「晶片」的左手边，图中很简单地描绘着二个电晶体以及一个P型电阻，进一步说明请参考(图三)及(图四)。

《图二 闸流体芯片的基本结构图》

《图三 闸流体芯片的侧视图》

《图四 闸流体晶片的等效电路图》

在正常操作时，电压跨越在晶片二端，当电压自阳极往阴极增加时，PNP电晶中突来的崩溃使得电流I开始流通。自阳极突来增加的大量电流流经PNP电晶体，而后再经P型电阻到阴极。因电流I之流通，跨越P型电阻二端的电压在NPN电晶体上形成"ON"的偏压状态。当NPN电晶体上的偏压形成"ON"时，PNP晶体立即转态形成"ON", 使元件"折返"成通路。由于PNP晶体上的电流驱动NPN晶体而使该元件保持"ON"的电路，NPN晶体上的电流亦会驱动PNP晶体的状态。

过压保护器并不仅只于设计来保护电信系统的电路，同时也可应用在个人及用户端维护管理上。除此之外，它们必须要符合许多需求，包括：不干扰正常运作中的电信服务、提供免维修的功能、减少维修时间及系统的当机时间、降低长期安置的成本费用，以及让机构设计工程师能够轻易地符合工业标准的设计要求等，以下将详述各类电信验证规范。

各类电信验证规范

许多验证单位的规范被强加于电信通路之上，用以模拟当雷击、电源交错和电源感应所引发的电信危机。最常见的规范包括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)所示是专为电信系统应用所设的规范标准。为发展二级过电压保护的应用，SiBar突波吸收器的设计，正是协助电信设备能够达到ITU所建议K.20及K.21二项之标准，并可与PolySwitch TR600-150-RB​​元件配搭使用，达成UL1459及FCC Part68的规范要求。

二类测试条件

各验证单位对于雷击、搭接电源交错及电源感应之测试所作的规范，可以分成二类测试条件。这些测试通常称之为"Type A"测试及"Type B"测试。 "Type A"测试与常见的故障成因有关；设备系统必需通过这些测试，并在要求的测试条件下仍能正常运作。"Type B"测试的对象是一些较少见，并更为严重的故障成因；当设备系统在进行这些测试时，设备不能起火，但并不要求在经过这些测试后必需继续运作（虽然如此，在测试后设备能继续运作仍然是众人所期待的结果）。

在面对瞬间电流变换的突波时，闸流体会「折返」成为一条低电阻的路径，任其大电流流向地线。电路必需具有足够大的电阻，以限制造成故障的电流低于闸流体额定的尖峰脉冲电流值（Ipp）。过电流吸收器在面对因雷击而产生的脉冲时，通常并不会引动。

电击影响

雷击的波形是由通路条件下的尖峰电压值、短路状况下的尖峰脉冲电流值（Ipp），以及通路与短路的波型所界定。波型的具体描述是藉由波锋－ 即上升时间与常数1.25的乘积（R×1.25），以及递减时间－即从电流的起始值到电波降为尖峰值（IPEAK）之50%所需的时间D。

举例而言，一个10/1000 100安培的波型来说，其尖峰电流值为100安培，有一个10s的波锋（R =8s），且其延时D=1000s 。 (图五)所示为一典型因雷击产生的过电流波形。

为了对雷击产生的波形有更完整的定义（经电源加以模拟），通路时的电压及波形必需先确定，短路时的电流与波形亦是如此。波形下所含的面积愈大，就表示愈多的电能被传送进系统当中，亦就是需要更多层的保护。 (表二)所示为各种雷击突波的规范要求。

《图五 雷击产生的过电流波形》

结语

过压吸收器的设计是将其与元件并联使用，在特定的电压值范围内限制流入电信系统电路的电压大小，如(图六)所示。过压吸收器在正常的操作环境中，所表现出来的是一个电阻值相当大的电阻，但实际上它却是一个开路。一旦发生电压过载时，过压吸收器随即改变本身的电阻值大小，将电流转向导入邻近的保护回路中，并流入地线。

《图六 过电流及过电压吸收器的典型配置图》

过电流保护器的设计目的就在具有避免电流对设备系统造成损害及起火的特性。设备能否正常运作需视系统参数、故障等级、故障延时以及过流元件与过压元件间的交互功能而定。对电源感应及电源碰触而言，如果故障电压低于元件的崩溃电压，闸流体就会维持在高电阻的状态下。如果故障电压超过了元件的崩溃电压时，突波电流导入过电流吸收器中，本身并将具危害性的电能自电路分流而出。 (本文由泰科电子瑞侃元件部提供)

注：相关资料请参考SiBar的应用说明（www.circuitprotection.com）