用實(shí)戰(zhàn)：從原理到多級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì))
1. 氣體放電管到底是個(gè)什么東西第一次接觸氣體放電管GDT是在做一個(gè)室外設(shè)備的防雷方案時(shí)當(dāng)時(shí)選型選到頭疼翻了不少?gòu)S家的規(guī)格書也踩過(guò)一些坑。后來(lái)慢慢摸清了它的脾氣發(fā)現(xiàn)這東西雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但要用好還真得花點(diǎn)心思。這篇內(nèi)容就把我在GDT選型、應(yīng)用和測(cè)試過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)整理出來(lái)給正在做電路防護(hù)設(shè)計(jì)的同行們做個(gè)參考。氣體放電管英文全稱Gas Discharge Tube簡(jiǎn)稱GDT是一種利用氣體放電原理來(lái)泄放浪涌電流的過(guò)壓保護(hù)器件。它的核心結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單一個(gè)密封的陶瓷或玻璃管體內(nèi)充有惰性氣體常見(jiàn)的是氬氣、氖氣或者兩者的混合氣體管內(nèi)有兩個(gè)或多個(gè)金屬電極。正常工作時(shí)管內(nèi)的氣體是絕緣的電極之間呈現(xiàn)極高的阻抗等效于開(kāi)路對(duì)電路幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)電極兩端的電壓升高到超過(guò)氣體的擊穿電壓時(shí)管內(nèi)氣體被電離形成等離子體通道電極之間迅速?gòu)母咦钁B(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)浪涌電流通過(guò)這個(gè)通道被泄放掉。浪涌過(guò)去之后電壓降低氣體重新恢復(fù)絕緣狀態(tài)GDT又回到高阻態(tài)等待下一次觸發(fā)。這個(gè)工作原理聽(tīng)起來(lái)跟火花間隙類似但GDT的放電過(guò)程更加可控和穩(wěn)定。它的響應(yīng)速度雖然比不上TVS二極管或者壓敏電阻但它的通流能力非常強(qiáng)單顆器件可以做到幾十千安甚至上百千安的浪涌承受能力這是半導(dǎo)體保護(hù)器件很難做到的。所以GDT通常被用在防護(hù)等級(jí)要求最高的第一級(jí)用來(lái)泄放雷擊或者大能量浪涌。適合閱讀這篇內(nèi)容的人包括正在做防雷或者浪涌防護(hù)方案的硬件工程師、做通信設(shè)備或安防產(chǎn)品設(shè)計(jì)的研發(fā)人員、以及需要了解GDT選型和應(yīng)用要點(diǎn)的技術(shù)人員。如果你之前沒(méi)接觸過(guò)GDT看完這篇應(yīng)該能建立起一個(gè)完整的認(rèn)知框架如果你已經(jīng)用過(guò)GDT但遇到了一些問(wèn)題也可以看看我在實(shí)操中總結(jié)的那些經(jīng)驗(yàn)?zāi)懿荒軒偷侥恪?. 氣體放電管的核心參數(shù)與選型邏輯2.1 直流擊穿電壓與電壓選型直流擊穿電壓是GDT最基礎(chǔ)的參數(shù)通常用Vs表示指的是在緩慢升壓的條件下一般升壓速率是100V/s或者1000V/sGDT從高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通態(tài)時(shí)的電壓值。這個(gè)參數(shù)決定了GDT在什么電壓下會(huì)觸發(fā)。選型的時(shí)候直流擊穿電壓的下限必須高于被保護(hù)電路的最大正常工作電壓。比如一個(gè)24V的直流供電線路考慮到供電波動(dòng)可能有±20%最高工作電壓就是28.8V那么GDT的擊穿電壓下限至少要高于這個(gè)值。但也不能選得太高否則保護(hù)動(dòng)作太遲鈍后級(jí)電路可能已經(jīng)被浪涌打壞了。實(shí)際選型中我一般會(huì)留出至少20%到30%的余量。以24V線路為例我會(huì)選擇直流擊穿電壓在90V到150V之間的GDT。為什么選這么高因?yàn)镚DT的擊穿電壓本身有較大的分散性同一型號(hào)不同批次的器件擊穿電壓可能相差±20%甚至更多。如果選得太接近工作電壓可能出現(xiàn)誤觸發(fā)或者部分器件根本不觸發(fā)的情況。這里有個(gè)容易忽略的點(diǎn)GDT的擊穿電壓還跟升壓速率有關(guān)。規(guī)格書上標(biāo)注的通常是100V/s或者1000V/s下的直流擊穿電壓但在實(shí)際浪涌沖擊下電壓上升速率可能達(dá)到kV/μs甚至更高這時(shí)候GDT的實(shí)際擊穿電壓會(huì)比標(biāo)稱值高出不少。這個(gè)現(xiàn)象叫做“沖擊擊穿電壓偏高”后面會(huì)詳細(xì)講。2.2 沖擊擊穿電壓與響應(yīng)特性沖擊擊穿電壓是GDT在特定上升速率的電壓脈沖下的擊穿電壓通常用kV/μs的上升速率來(lái)測(cè)試。這個(gè)參數(shù)比直流擊穿電壓更貼近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景因?yàn)槔擞康纳仙赝ǔ：芏?。我做過(guò)一組對(duì)比測(cè)試同一顆標(biāo)稱直流擊穿電壓為90V的GDT在100V/s的升壓速率下?lián)舸╇妷捍蟾旁?5V到95V之間但當(dāng)電壓上升速率提高到1kV/μs時(shí)擊穿電壓可能跳到500V甚至更高。這個(gè)差異非常大如果后級(jí)電路的保護(hù)器件沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)就可能出現(xiàn)GDT還沒(méi)觸發(fā)、后級(jí)器件已經(jīng)被打壞的情況。所以選型時(shí)不能只看直流擊穿電壓還要關(guān)注沖擊擊穿電壓。一般來(lái)說(shuō)規(guī)格書上會(huì)給出不同上升速率下的沖擊擊穿電壓曲線或者表格。如果規(guī)格書沒(méi)有提供建議直接找廠家要測(cè)試數(shù)據(jù)或者自己搭測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證。2.3 通流能力與能量耐受通流能力是GDT最核心的優(yōu)勢(shì)之一。常見(jiàn)的GDT通流能力從幾百安到幾十千安不等按8/20μs波形測(cè)試。選型時(shí)要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的浪涌等級(jí)來(lái)確定。比如室外通信基站的防護(hù)通常要求能承受10kA以上的8/20μs浪涌而室內(nèi)設(shè)備的防護(hù)可能5kA就夠了。但要注意通流能力不是越大越好。通流能力越大的GDT體積通常也越大而且擊穿電壓的分散性可能更寬。所以要在防護(hù)等級(jí)和電路板空間之間做平衡。除了通流能力還要關(guān)注GDT的壽命。GDT在每次放電后電極表面會(huì)受到一定的燒蝕放電次數(shù)多了之后擊穿電壓會(huì)發(fā)生變化甚至可能失效。規(guī)格書上通常會(huì)給出一個(gè)“放電次數(shù)”參數(shù)比如在額定通流下可以放電300次或者500次。如果應(yīng)用場(chǎng)景中浪涌出現(xiàn)頻繁就要選壽命更長(zhǎng)的型號(hào)。2.4 極間電容與信號(hào)完整性GDT的極間電容非常小通常在1pF到5pF之間有些型號(hào)甚至能做到0.5pF以下。這個(gè)特性讓GDT非常適合用在高頻信號(hào)線路的保護(hù)上比如射頻天線、高速數(shù)據(jù)線等。相比之下TVS二極管的結(jié)電容通常在幾十pF到幾百pF壓敏電阻的電容更大可能到nF級(jí)別用在高頻線路上會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量。但GDT的極間電容雖然小它的響應(yīng)速度卻比TVS慢。TVS的響應(yīng)時(shí)間可以做到ps級(jí)別而GDT從電壓升高到氣體擊穿導(dǎo)通需要幾百納秒甚至微秒級(jí)別的時(shí)間。所以GDT通常不單獨(dú)使用而是和TVS或者壓敏電阻配合形成多級(jí)防護(hù)。2.5 多級(jí)防護(hù)中的GDT定位在實(shí)際的浪涌防護(hù)方案中GDT一般放在第一級(jí)承擔(dān)大能量泄放的任務(wù)TVS或者壓敏電阻放在第二級(jí)負(fù)責(zé)快速響應(yīng)和精確鉗位。兩級(jí)之間需要加退耦元件通常是電感或者電阻用來(lái)協(xié)調(diào)兩級(jí)器件的動(dòng)作時(shí)序。退耦元件的選擇很關(guān)鍵。如果退耦電感太小第一級(jí)GDT還沒(méi)觸發(fā)浪涌能量就已經(jīng)傳到第二級(jí)了TVS可能被打壞如果退耦電感太大正常信號(hào)會(huì)被衰減影響電路功能。我一般會(huì)根據(jù)浪涌的上升沿和GDT的響應(yīng)時(shí)間來(lái)計(jì)算退耦電感的最小值。舉個(gè)例子假設(shè)GDT的響應(yīng)時(shí)間是1μs浪涌的上升速率是1kV/μs那么在GDT觸發(fā)之前電壓已經(jīng)上升了1000V。如果第二級(jí)TVS的鉗位電壓是30V那么退耦元件需要在這1μs內(nèi)承受970V的壓降。根據(jù)電感的電壓公式VL×di/dt如果浪涌電流是100A/μs那么L970V/100A/μs≈9.7μH。實(shí)際選型時(shí)我會(huì)取10μH到22μH之間的電感再根據(jù)實(shí)測(cè)波形微調(diào)。3. GDT在不同場(chǎng)景下的實(shí)操應(yīng)用3.1 交流電源端口的防護(hù)方案交流電源端口的浪涌防護(hù)是GDT最經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景之一。以220V交流供電為例我通常會(huì)在線路的L-N、L-PE、N-PE三個(gè)位置各放一顆GDT形成差模和共模的全面防護(hù)。L-N之間的GDT負(fù)責(zé)差模浪涌選型時(shí)直流擊穿電壓要高于220V交流的峰值電壓。220V交流的有效值是220V峰值是311V考慮到電網(wǎng)波動(dòng)可能有±10%峰值最高到342V。所以L-N之間的GDT直流擊穿電壓下限至少要高于342V我一般會(huì)選470V或者600V的型號(hào)。L-PE和N-PE之間的GDT負(fù)責(zé)共模浪涌選型邏輯類似但還要考慮絕緣耐壓的要求。有些安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求L-PE和N-PE之間能承受1500V或者更高的耐壓測(cè)試所以GDT的擊穿電壓不能太低否則耐壓測(cè)試通不過(guò)。我一般會(huì)選600V或者800V的型號(hào)。這里有個(gè)實(shí)操中的坑GDT在交流線路中如果選型不當(dāng)可能在交流電壓的峰值附近反復(fù)觸發(fā)導(dǎo)致GDT快速老化甚至失效。所以交流端口的GDT擊穿電壓一定要留足余量不能只比峰值高一點(diǎn)點(diǎn)。3.2 直流電源與信號(hào)線路的保護(hù)直流電源線路的GDT選型相對(duì)簡(jiǎn)單一些因?yàn)橹绷麟妷簺](méi)有周期性的峰值波動(dòng)。但要注意直流線路中可能存在感性負(fù)載的反向電動(dòng)勢(shì)這個(gè)電壓可能遠(yuǎn)高于正常工作電壓。比如一個(gè)24V的直流電機(jī)斷電瞬間的反向電動(dòng)勢(shì)可能到幾百伏。這種情況下GDT的擊穿電壓要高于反向電動(dòng)勢(shì)的峰值否則電機(jī)會(huì)一斷電GDT就觸發(fā)。信號(hào)線路的保護(hù)要特別注意GDT的極間電容和信號(hào)完整性的平衡。對(duì)于低速信號(hào)線路比如RS-485、CAN總線GDT的幾pF電容基本沒(méi)有影響。但對(duì)于射頻信號(hào)或者高速差分信號(hào)就要選超低電容的GDT型號(hào)并且要注意GDT的封裝和布局盡量減少寄生參數(shù)。我在一個(gè)GPS天線線路的保護(hù)方案中用過(guò)GDT當(dāng)時(shí)選了一顆0.5pF的型號(hào)實(shí)測(cè)對(duì)信號(hào)的影響幾乎可以忽略。但布局的時(shí)候要注意GDT的接地引線要盡量短否則引線電感會(huì)在浪涌時(shí)產(chǎn)生額外的壓降影響保護(hù)效果。3.3 多級(jí)防護(hù)電路的搭建與調(diào)試多級(jí)防護(hù)電路的搭建是GDT應(yīng)用中最考驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的部分。我以通信基站的電源端口防護(hù)為例說(shuō)一下我的實(shí)操過(guò)程。第一級(jí)用一顆通流能力20kA的GDT直流擊穿電壓選600V放在電源入口處。第二級(jí)用壓敏電阻選14D471K鉗位電壓在775V左右。兩級(jí)之間用一個(gè)22μH的共模電感做退耦。調(diào)試的時(shí)候我先用8/20μs的浪涌發(fā)生器打第一級(jí)觀察GDT的觸發(fā)情況和殘壓。然后打第二級(jí)看壓敏電阻的鉗位效果。最后兩級(jí)一起打看整體的殘壓波形。實(shí)測(cè)下來(lái)第一級(jí)GDT在浪涌到來(lái)后大約800ns觸發(fā)觸發(fā)后電壓被拉到20V左右第二級(jí)壓敏電阻在GDT觸發(fā)之前就已經(jīng)開(kāi)始鉗位把電壓限制在800V左右。兩級(jí)配合下來(lái)最終的殘壓被控制在50V以內(nèi)后級(jí)電路安全。調(diào)試中遇到的一個(gè)問(wèn)題是退耦電感的電感量選大了之后正常工作時(shí)電源紋波變大影響了后級(jí)設(shè)備的正常工作。后來(lái)把電感量從22μH降到10μH紋波恢復(fù)正常同時(shí)浪涌防護(hù)效果也沒(méi)有明顯下降。所以退耦元件的參數(shù)要在防護(hù)效果和信號(hào)質(zhì)量之間做折中。3.4 戶外設(shè)備的防雷接地要點(diǎn)戶外設(shè)備的GDT防護(hù)接地是繞不開(kāi)的話題。GDT的防護(hù)效果很大程度上取決于接地質(zhì)量。如果接地電阻太大浪涌電流泄放不暢GDT兩端的電壓會(huì)升高后級(jí)電路仍然可能被打壞。我一般要求戶外設(shè)備的接地電阻小于4Ω條件允許的話做到1Ω以下。接地線要盡量短、粗減少引線電感。GDT的接地引腳到接地銅排的引線長(zhǎng)度最好控制在10cm以內(nèi)引線電感每厘米大約10nH10cm就是100nH在1kA/μs的浪涌電流下這100nH會(huì)產(chǎn)生100V的壓降這個(gè)壓降會(huì)疊加在GDT的殘壓上影響保護(hù)效果。還有一個(gè)容易忽略的點(diǎn)GDT的接地線不能和其他信號(hào)地線共用。浪涌電流通過(guò)接地線時(shí)會(huì)在接地線上產(chǎn)生電壓降如果信號(hào)地線共用這段接地線浪涌電壓會(huì)串入信號(hào)回路導(dǎo)致信號(hào)誤動(dòng)作甚至損壞。所以GDT的接地要單獨(dú)走線直接接到接地匯流排。4. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄4.1 GDT誤觸發(fā)導(dǎo)致設(shè)備頻繁重啟這是我在實(shí)際項(xiàng)目中遇到最多的GDT問(wèn)題。設(shè)備在雷雨天氣頻繁重啟排查后發(fā)現(xiàn)是GDT誤觸發(fā)導(dǎo)致的。誤觸發(fā)的原因通常有三個(gè)一是GDT的擊穿電壓選得太低正常工作電壓的波動(dòng)就能觸發(fā)二是GDT老化后擊穿電壓下降原本不會(huì)觸發(fā)的電壓現(xiàn)在能觸發(fā)了三是線路中存在高頻干擾GDT對(duì)高頻干擾比較敏感可能被干擾信號(hào)觸發(fā)。排查的時(shí)候我會(huì)先用示波器抓取GDT兩端的電壓波形看正常工作時(shí)有沒(méi)有異常的電壓尖峰。如果有就要檢查線路的濾波是否到位或者GDT的選型是否合適。如果是GDT老化導(dǎo)致的那就需要更換GDT并且考慮選更高擊穿電壓或者更長(zhǎng)壽命的型號(hào)。解決誤觸發(fā)的方法一是提高GDT的擊穿電壓留出更大的余量二是在GDT兩端并聯(lián)一個(gè)RC吸收電路濾除高頻干擾三是選用帶有失效保護(hù)功能的GDT當(dāng)GDT老化到一定程度時(shí)失效保護(hù)裝置會(huì)將其斷開(kāi)避免誤觸發(fā)。4.2 GDT觸發(fā)后無(wú)法恢復(fù)GDT觸發(fā)后無(wú)法恢復(fù)意味著GDT一直處于導(dǎo)通狀態(tài)線路被短路。這種情況通常發(fā)生在GDT承受了超過(guò)其耐受能力的浪涌之后管內(nèi)氣體持續(xù)電離或者電極被燒蝕后無(wú)法恢復(fù)絕緣。我遇到過(guò)一回一個(gè)室外設(shè)備的GDT在雷擊后一直導(dǎo)通導(dǎo)致電源短路設(shè)備斷電。拆下來(lái)測(cè)量GDT兩端的電阻只有幾歐姆確認(rèn)是GDT失效了。后來(lái)分析原因是雷擊能量超過(guò)了GDT的額定通流能力導(dǎo)致GDT內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。避免這種情況的方法一是選通流能力更大的GDT留足余量二是在GDT前面加保險(xiǎn)絲或者斷路器當(dāng)GDT失效短路時(shí)保險(xiǎn)絲熔斷切斷電路避免故障擴(kuò)大三是定期檢查和更換GDT特別是在雷雨季節(jié)之后。4.3 GDT與TVS配合時(shí)的時(shí)序問(wèn)題GDT和TVS配合使用時(shí)最常見(jiàn)的時(shí)序問(wèn)題是GDT還沒(méi)觸發(fā)TVS就已經(jīng)被打壞了。這個(gè)問(wèn)題的根源在于GDT的響應(yīng)速度比TVS慢如果退耦元件選擇不當(dāng)浪涌能量會(huì)在GDT觸發(fā)之前就傳到TVS上。排查這個(gè)問(wèn)題我會(huì)用示波器同時(shí)抓取GDT和TVS兩端的電壓波形看TVS的鉗位電壓是否在GDT觸發(fā)之前就已經(jīng)超過(guò)了TVS的耐受能力。如果是就要調(diào)整退耦元件的參數(shù)增大退耦電感或者電阻延緩浪涌能量傳到TVS的時(shí)間。還有一個(gè)技巧在TVS前面串聯(lián)一個(gè)電阻或者電感也可以延緩浪涌能量的傳遞。但要注意這個(gè)電阻或電感不能影響正常信號(hào)的質(zhì)量。我一般會(huì)先用仿真軟件模擬一下確定合適的參數(shù)范圍再實(shí)際搭電路驗(yàn)證。4.4 GDT選型速查表為了方便大家快速選型我整理了一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景的GDT選型參考表應(yīng)用場(chǎng)景工作電壓推薦直流擊穿電壓推薦通流能力極間電容要求220V交流電源220V AC470V-600V10kA-20kA無(wú)特殊要求24V直流電源24V DC90V-150V5kA-10kA無(wú)特殊要求RS-485信號(hào)線±5V90V-150V1kA-5kA5pF射頻天線小信號(hào)90V-200V1kA-5kA1pF千兆以太網(wǎng)差分信號(hào)90V-150V1kA-5kA1pF這個(gè)表是基于我個(gè)人的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)整理的實(shí)際選型時(shí)還要結(jié)合具體的電路條件和防護(hù)等級(jí)要求來(lái)調(diào)整。4.5 GDT使用中的幾個(gè)避坑要點(diǎn)第一個(gè)坑GDT的擊穿電壓分散性很大同一批次的器件可能相差±20%甚至更多。所以選型時(shí)不能按標(biāo)稱值來(lái)算要按最壞情況來(lái)考慮。我一般會(huì)要求廠家提供擊穿電壓的分布數(shù)據(jù)或者自己抽樣測(cè)試。第二個(gè)坑GDT的響應(yīng)速度慢不能單獨(dú)用作精密保護(hù)。一定要和TVS或者壓敏電阻配合使用形成多級(jí)防護(hù)。第三個(gè)坑GDT的壽命有限放電次數(shù)多了之后性能會(huì)下降。在浪涌頻繁的場(chǎng)景中要定期更換GDT或者選用壽命更長(zhǎng)的型號(hào)。第四個(gè)坑GDT的接地引線要盡量短否則引線電感會(huì)影響保護(hù)效果。我一般要求接地引線不超過(guò)10cm并且要單獨(dú)走線不能和其他地線共用。第五個(gè)坑GDT在高溫環(huán)境下?lián)舸╇妷簳?huì)下降選型時(shí)要考慮工作溫度范圍。如果設(shè)備工作在高溫環(huán)境中GDT的擊穿電壓要留出更大的余量。5. GDT測(cè)試與驗(yàn)證的實(shí)操方法5.1 直流擊穿電壓的測(cè)試直流擊穿電壓的測(cè)試比較簡(jiǎn)單用一臺(tái)可調(diào)直流電源配合限流電阻和電壓表就能做。測(cè)試時(shí)慢慢升高電壓記錄GDT觸發(fā)時(shí)的電壓值。注意升壓速率要控制在100V/s左右太快或者太慢都會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。我一般會(huì)測(cè)10顆樣品取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)估批次的一致性。如果標(biāo)準(zhǔn)差太大說(shuō)明這批GDT的質(zhì)量不穩(wěn)定要謹(jǐn)慎使用。5.2 沖擊擊穿電壓的測(cè)試沖擊擊穿電壓的測(cè)試需要用到浪涌發(fā)生器能輸出特定上升速率的電壓脈沖。測(cè)試時(shí)逐漸升高脈沖電壓記錄GDT觸發(fā)時(shí)的電壓值。這個(gè)測(cè)試比直流擊穿電壓測(cè)試更貼近實(shí)際應(yīng)用但設(shè)備要求也更高。如果沒(méi)有浪涌發(fā)生器可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的RC放電電路來(lái)模擬。電容充電到一定電壓后通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)GDT放電用示波器抓取GDT兩端的電壓波形。雖然精度不如專業(yè)設(shè)備但可以大致評(píng)估GDT的沖擊響應(yīng)特性。5.3 通流能力的驗(yàn)證通流能力的驗(yàn)證需要大功率浪涌發(fā)生器一般只有廠家或者專業(yè)實(shí)驗(yàn)室才有。如果條件允許可以送樣到第三方實(shí)驗(yàn)室做測(cè)試獲取權(quán)威的測(cè)試報(bào)告。在實(shí)際項(xiàng)目中我一般會(huì)依賴廠家提供的規(guī)格書數(shù)據(jù)但會(huì)要求廠家提供第三方測(cè)試報(bào)告或者自己的測(cè)試數(shù)據(jù)作為佐證。如果廠家無(wú)法提供就要謹(jǐn)慎選擇。5.4 老化測(cè)試與壽命評(píng)估老化測(cè)試是為了評(píng)估GDT在多次放電后的性能變化。我一般會(huì)做100次、300次、500次的放電測(cè)試每次測(cè)試后測(cè)量GDT的直流擊穿電壓和絕緣電阻看是否有明顯變化。如果擊穿電壓下降超過(guò)10%或者絕緣電阻降到MΩ級(jí)別以下就說(shuō)明GDT已經(jīng)老化需要更換。這個(gè)測(cè)試可以幫助確定GDT的更換周期特別是在浪涌頻繁的應(yīng)用場(chǎng)景中。6. 一些個(gè)人體會(huì)GDT這個(gè)器件說(shuō)簡(jiǎn)單也簡(jiǎn)單說(shuō)復(fù)雜也復(fù)雜。簡(jiǎn)單在于它的原理很直觀就是一個(gè)氣體放電開(kāi)關(guān)復(fù)雜在于它的參數(shù)分散性大、響應(yīng)速度慢、壽命有限要用好需要不少經(jīng)驗(yàn)積累。我在實(shí)際項(xiàng)目中最大的體會(huì)是GDT不能孤立地選型和設(shè)計(jì)一定要放在整個(gè)防護(hù)方案中來(lái)考慮。它和TVS、壓敏電阻、退耦元件的配合和接地系統(tǒng)的配合和整體布局的配合每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響最終的防護(hù)效果。另外GDT的測(cè)試和驗(yàn)證非常重要。規(guī)格書上的數(shù)據(jù)只能作為參考實(shí)際性能還要通過(guò)測(cè)試來(lái)確認(rèn)。特別是在關(guān)鍵應(yīng)用中一定要做充分的測(cè)試確保GDT在真實(shí)浪涌條件下的表現(xiàn)符合預(yù)期。最后分享一個(gè)小技巧在GDT的選型階段可以多找?guī)准覐S家要樣品做對(duì)比測(cè)試。不同廠家的GDT在擊穿電壓一致性、響應(yīng)速度、壽命等方面可能有明顯差異。通過(guò)對(duì)比測(cè)試可以選出最適合自己項(xiàng)目的型號(hào)。這個(gè)工作雖然花時(shí)間但能避免后期調(diào)試中的很多麻煩。 氣體放電管GDT選型與應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)：從原理到多級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)
1. 氣體放電管到底是個(gè)什么東西第一次接觸氣體放電管GDT是在做一個(gè)室外設(shè)備的防雷方案時(shí)當(dāng)時(shí)選型選到頭疼翻了不少?gòu)S家的規(guī)格書也踩過(guò)一些坑。后來(lái)慢慢摸清了它的脾氣發(fā)現(xiàn)這東西雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但要用好還真得花點(diǎn)心思。這篇內(nèi)容就把我在GDT選型、應(yīng)用和測(cè)試過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)整理出來(lái)給正在做電路防護(hù)設(shè)計(jì)的同行們做個(gè)參考。氣體放電管英文全稱Gas Discharge Tube簡(jiǎn)稱GDT是一種利用氣體放電原理來(lái)泄放浪涌電流的過(guò)壓保護(hù)器件。它的核心結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單一個(gè)密封的陶瓷或玻璃管體內(nèi)充有惰性氣體常見(jiàn)的是氬氣、氖氣或者兩者的混合氣體管內(nèi)有兩個(gè)或多個(gè)金屬電極。正常工作時(shí)管內(nèi)的氣體是絕緣的電極之間呈現(xiàn)極高的阻抗等效于開(kāi)路對(duì)電路幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)電極兩端的電壓升高到超過(guò)氣體的擊穿電壓時(shí)管內(nèi)氣體被電離形成等離子體通道電極之間迅速?gòu)母咦钁B(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)浪涌電流通過(guò)這個(gè)通道被泄放掉。浪涌過(guò)去之后電壓降低氣體重新恢復(fù)絕緣狀態(tài)GDT又回到高阻態(tài)等待下一次觸發(fā)。這個(gè)工作原理聽(tīng)起來(lái)跟火花間隙類似但GDT的放電過(guò)程更加可控和穩(wěn)定。它的響應(yīng)速度雖然比不上TVS二極管或者壓敏電阻但它的通流能力非常強(qiáng)單顆器件可以做到幾十千安甚至上百千安的浪涌承受能力這是半導(dǎo)體保護(hù)器件很難做到的。所以GDT通常被用在防護(hù)等級(jí)要求最高的第一級(jí)用來(lái)泄放雷擊或者大能量浪涌。適合閱讀這篇內(nèi)容的人包括正在做防雷或者浪涌防護(hù)方案的硬件工程師、做通信設(shè)備或安防產(chǎn)品設(shè)計(jì)的研發(fā)人員、以及需要了解GDT選型和應(yīng)用要點(diǎn)的技術(shù)人員。如果你之前沒(méi)接觸過(guò)GDT看完這篇應(yīng)該能建立起一個(gè)完整的認(rèn)知框架如果你已經(jīng)用過(guò)GDT但遇到了一些問(wèn)題也可以看看我在實(shí)操中總結(jié)的那些經(jīng)驗(yàn)?zāi)懿荒軒偷侥恪?. 氣體放電管的核心參數(shù)與選型邏輯2.1 直流擊穿電壓與電壓選型直流擊穿電壓是GDT最基礎(chǔ)的參數(shù)通常用Vs表示指的是在緩慢升壓的條件下一般升壓速率是100V/s或者1000V/sGDT從高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通態(tài)時(shí)的電壓值。這個(gè)參數(shù)決定了GDT在什么電壓下會(huì)觸發(fā)。選型的時(shí)候直流擊穿電壓的下限必須高于被保護(hù)電路的最大正常工作電壓。比如一個(gè)24V的直流供電線路考慮到供電波動(dòng)可能有±20%最高工作電壓就是28.8V那么GDT的擊穿電壓下限至少要高于這個(gè)值。但也不能選得太高否則保護(hù)動(dòng)作太遲鈍后級(jí)電路可能已經(jīng)被浪涌打壞了。實(shí)際選型中我一般會(huì)留出至少20%到30%的余量。以24V線路為例我會(huì)選擇直流擊穿電壓在90V到150V之間的GDT。為什么選這么高因?yàn)镚DT的擊穿電壓本身有較大的分散性同一型號(hào)不同批次的器件擊穿電壓可能相差±20%甚至更多。如果選得太接近工作電壓可能出現(xiàn)誤觸發(fā)或者部分器件根本不觸發(fā)的情況。這里有個(gè)容易忽略的點(diǎn)GDT的擊穿電壓還跟升壓速率有關(guān)。規(guī)格書上標(biāo)注的通常是100V/s或者1000V/s下的直流擊穿電壓但在實(shí)際浪涌沖擊下電壓上升速率可能達(dá)到kV/μs甚至更高這時(shí)候GDT的實(shí)際擊穿電壓會(huì)比標(biāo)稱值高出不少。這個(gè)現(xiàn)象叫做“沖擊擊穿電壓偏高”后面會(huì)詳細(xì)講。2.2 沖擊擊穿電壓與響應(yīng)特性沖擊擊穿電壓是GDT在特定上升速率的電壓脈沖下的擊穿電壓通常用kV/μs的上升速率來(lái)測(cè)試。這個(gè)參數(shù)比直流擊穿電壓更貼近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景因?yàn)槔擞康纳仙赝ǔ：芏?。我做過(guò)一組對(duì)比測(cè)試同一顆標(biāo)稱直流擊穿電壓為90V的GDT在100V/s的升壓速率下?lián)舸╇妷捍蟾旁?5V到95V之間但當(dāng)電壓上升速率提高到1kV/μs時(shí)擊穿電壓可能跳到500V甚至更高。這個(gè)差異非常大如果后級(jí)電路的保護(hù)器件沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)就可能出現(xiàn)GDT還沒(méi)觸發(fā)、后級(jí)器件已經(jīng)被打壞的情況。所以選型時(shí)不能只看直流擊穿電壓還要關(guān)注沖擊擊穿電壓。一般來(lái)說(shuō)規(guī)格書上會(huì)給出不同上升速率下的沖擊擊穿電壓曲線或者表格。如果規(guī)格書沒(méi)有提供建議直接找廠家要測(cè)試數(shù)據(jù)或者自己搭測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證。2.3 通流能力與能量耐受通流能力是GDT最核心的優(yōu)勢(shì)之一。常見(jiàn)的GDT通流能力從幾百安到幾十千安不等按8/20μs波形測(cè)試。選型時(shí)要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的浪涌等級(jí)來(lái)確定。比如室外通信基站的防護(hù)通常要求能承受10kA以上的8/20μs浪涌而室內(nèi)設(shè)備的防護(hù)可能5kA就夠了。但要注意通流能力不是越大越好。通流能力越大的GDT體積通常也越大而且擊穿電壓的分散性可能更寬。所以要在防護(hù)等級(jí)和電路板空間之間做平衡。除了通流能力還要關(guān)注GDT的壽命。GDT在每次放電后電極表面會(huì)受到一定的燒蝕放電次數(shù)多了之后擊穿電壓會(huì)發(fā)生變化甚至可能失效。規(guī)格書上通常會(huì)給出一個(gè)“放電次數(shù)”參數(shù)比如在額定通流下可以放電300次或者500次。如果應(yīng)用場(chǎng)景中浪涌出現(xiàn)頻繁就要選壽命更長(zhǎng)的型號(hào)。2.4 極間電容與信號(hào)完整性GDT的極間電容非常小通常在1pF到5pF之間有些型號(hào)甚至能做到0.5pF以下。這個(gè)特性讓GDT非常適合用在高頻信號(hào)線路的保護(hù)上比如射頻天線、高速數(shù)據(jù)線等。相比之下TVS二極管的結(jié)電容通常在幾十pF到幾百pF壓敏電阻的電容更大可能到nF級(jí)別用在高頻線路上會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量。但GDT的極間電容雖然小它的響應(yīng)速度卻比TVS慢。TVS的響應(yīng)時(shí)間可以做到ps級(jí)別而GDT從電壓升高到氣體擊穿導(dǎo)通需要幾百納秒甚至微秒級(jí)別的時(shí)間。所以GDT通常不單獨(dú)使用而是和TVS或者壓敏電阻配合形成多級(jí)防護(hù)。2.5 多級(jí)防護(hù)中的GDT定位在實(shí)際的浪涌防護(hù)方案中GDT一般放在第一級(jí)承擔(dān)大能量泄放的任務(wù)TVS或者壓敏電阻放在第二級(jí)負(fù)責(zé)快速響應(yīng)和精確鉗位。兩級(jí)之間需要加退耦元件通常是電感或者電阻用來(lái)協(xié)調(diào)兩級(jí)器件的動(dòng)作時(shí)序。退耦元件的選擇很關(guān)鍵。如果退耦電感太小第一級(jí)GDT還沒(méi)觸發(fā)浪涌能量就已經(jīng)傳到第二級(jí)了TVS可能被打壞如果退耦電感太大正常信號(hào)會(huì)被衰減影響電路功能。我一般會(huì)根據(jù)浪涌的上升沿和GDT的響應(yīng)時(shí)間來(lái)計(jì)算退耦電感的最小值。舉個(gè)例子假設(shè)GDT的響應(yīng)時(shí)間是1μs浪涌的上升速率是1kV/μs那么在GDT觸發(fā)之前電壓已經(jīng)上升了1000V。如果第二級(jí)TVS的鉗位電壓是30V那么退耦元件需要在這1μs內(nèi)承受970V的壓降。根據(jù)電感的電壓公式VL×di/dt如果浪涌電流是100A/μs那么L970V/100A/μs≈9.7μH。實(shí)際選型時(shí)我會(huì)取10μH到22μH之間的電感再根據(jù)實(shí)測(cè)波形微調(diào)。3. GDT在不同場(chǎng)景下的實(shí)操應(yīng)用3.1 交流電源端口的防護(hù)方案交流電源端口的浪涌防護(hù)是GDT最經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景之一。以220V交流供電為例我通常會(huì)在線路的L-N、L-PE、N-PE三個(gè)位置各放一顆GDT形成差模和共模的全面防護(hù)。L-N之間的GDT負(fù)責(zé)差模浪涌選型時(shí)直流擊穿電壓要高于220V交流的峰值電壓。220V交流的有效值是220V峰值是311V考慮到電網(wǎng)波動(dòng)可能有±10%峰值最高到342V。所以L-N之間的GDT直流擊穿電壓下限至少要高于342V我一般會(huì)選470V或者600V的型號(hào)。L-PE和N-PE之間的GDT負(fù)責(zé)共模浪涌選型邏輯類似但還要考慮絕緣耐壓的要求。有些安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求L-PE和N-PE之間能承受1500V或者更高的耐壓測(cè)試所以GDT的擊穿電壓不能太低否則耐壓測(cè)試通不過(guò)。我一般會(huì)選600V或者800V的型號(hào)。這里有個(gè)實(shí)操中的坑GDT在交流線路中如果選型不當(dāng)可能在交流電壓的峰值附近反復(fù)觸發(fā)導(dǎo)致GDT快速老化甚至失效。所以交流端口的GDT擊穿電壓一定要留足余量不能只比峰值高一點(diǎn)點(diǎn)。3.2 直流電源與信號(hào)線路的保護(hù)直流電源線路的GDT選型相對(duì)簡(jiǎn)單一些因?yàn)橹绷麟妷簺](méi)有周期性的峰值波動(dòng)。但要注意直流線路中可能存在感性負(fù)載的反向電動(dòng)勢(shì)這個(gè)電壓可能遠(yuǎn)高于正常工作電壓。比如一個(gè)24V的直流電機(jī)斷電瞬間的反向電動(dòng)勢(shì)可能到幾百伏。這種情況下GDT的擊穿電壓要高于反向電動(dòng)勢(shì)的峰值否則電機(jī)會(huì)一斷電GDT就觸發(fā)。信號(hào)線路的保護(hù)要特別注意GDT的極間電容和信號(hào)完整性的平衡。對(duì)于低速信號(hào)線路比如RS-485、CAN總線GDT的幾pF電容基本沒(méi)有影響。但對(duì)于射頻信號(hào)或者高速差分信號(hào)就要選超低電容的GDT型號(hào)并且要注意GDT的封裝和布局盡量減少寄生參數(shù)。我在一個(gè)GPS天線線路的保護(hù)方案中用過(guò)GDT當(dāng)時(shí)選了一顆0.5pF的型號(hào)實(shí)測(cè)對(duì)信號(hào)的影響幾乎可以忽略。但布局的時(shí)候要注意GDT的接地引線要盡量短否則引線電感會(huì)在浪涌時(shí)產(chǎn)生額外的壓降影響保護(hù)效果。3.3 多級(jí)防護(hù)電路的搭建與調(diào)試多級(jí)防護(hù)電路的搭建是GDT應(yīng)用中最考驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的部分。我以通信基站的電源端口防護(hù)為例說(shuō)一下我的實(shí)操過(guò)程。第一級(jí)用一顆通流能力20kA的GDT直流擊穿電壓選600V放在電源入口處。第二級(jí)用壓敏電阻選14D471K鉗位電壓在775V左右。兩級(jí)之間用一個(gè)22μH的共模電感做退耦。調(diào)試的時(shí)候我先用8/20μs的浪涌發(fā)生器打第一級(jí)觀察GDT的觸發(fā)情況和殘壓。然后打第二級(jí)看壓敏電阻的鉗位效果。最后兩級(jí)一起打看整體的殘壓波形。實(shí)測(cè)下來(lái)第一級(jí)GDT在浪涌到來(lái)后大約800ns觸發(fā)觸發(fā)后電壓被拉到20V左右第二級(jí)壓敏電阻在GDT觸發(fā)之前就已經(jīng)開(kāi)始鉗位把電壓限制在800V左右。兩級(jí)配合下來(lái)最終的殘壓被控制在50V以內(nèi)后級(jí)電路安全。調(diào)試中遇到的一個(gè)問(wèn)題是退耦電感的電感量選大了之后正常工作時(shí)電源紋波變大影響了后級(jí)設(shè)備的正常工作。后來(lái)把電感量從22μH降到10μH紋波恢復(fù)正常同時(shí)浪涌防護(hù)效果也沒(méi)有明顯下降。所以退耦元件的參數(shù)要在防護(hù)效果和信號(hào)質(zhì)量之間做折中。3.4 戶外設(shè)備的防雷接地要點(diǎn)戶外設(shè)備的GDT防護(hù)接地是繞不開(kāi)的話題。GDT的防護(hù)效果很大程度上取決于接地質(zhì)量。如果接地電阻太大浪涌電流泄放不暢GDT兩端的電壓會(huì)升高后級(jí)電路仍然可能被打壞。我一般要求戶外設(shè)備的接地電阻小于4Ω條件允許的話做到1Ω以下。接地線要盡量短、粗減少引線電感。GDT的接地引腳到接地銅排的引線長(zhǎng)度最好控制在10cm以內(nèi)引線電感每厘米大約10nH10cm就是100nH在1kA/μs的浪涌電流下這100nH會(huì)產(chǎn)生100V的壓降這個(gè)壓降會(huì)疊加在GDT的殘壓上影響保護(hù)效果。還有一個(gè)容易忽略的點(diǎn)GDT的接地線不能和其他信號(hào)地線共用。浪涌電流通過(guò)接地線時(shí)會(huì)在接地線上產(chǎn)生電壓降如果信號(hào)地線共用這段接地線浪涌電壓會(huì)串入信號(hào)回路導(dǎo)致信號(hào)誤動(dòng)作甚至損壞。所以GDT的接地要單獨(dú)走線直接接到接地匯流排。4. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄4.1 GDT誤觸發(fā)導(dǎo)致設(shè)備頻繁重啟這是我在實(shí)際項(xiàng)目中遇到最多的GDT問(wèn)題。設(shè)備在雷雨天氣頻繁重啟排查后發(fā)現(xiàn)是GDT誤觸發(fā)導(dǎo)致的。誤觸發(fā)的原因通常有三個(gè)一是GDT的擊穿電壓選得太低正常工作電壓的波動(dòng)就能觸發(fā)二是GDT老化后擊穿電壓下降原本不會(huì)觸發(fā)的電壓現(xiàn)在能觸發(fā)了三是線路中存在高頻干擾GDT對(duì)高頻干擾比較敏感可能被干擾信號(hào)觸發(fā)。排查的時(shí)候我會(huì)先用示波器抓取GDT兩端的電壓波形看正常工作時(shí)有沒(méi)有異常的電壓尖峰。如果有就要檢查線路的濾波是否到位或者GDT的選型是否合適。如果是GDT老化導(dǎo)致的那就需要更換GDT并且考慮選更高擊穿電壓或者更長(zhǎng)壽命的型號(hào)。解決誤觸發(fā)的方法一是提高GDT的擊穿電壓留出更大的余量二是在GDT兩端并聯(lián)一個(gè)RC吸收電路濾除高頻干擾三是選用帶有失效保護(hù)功能的GDT當(dāng)GDT老化到一定程度時(shí)失效保護(hù)裝置會(huì)將其斷開(kāi)避免誤觸發(fā)。4.2 GDT觸發(fā)后無(wú)法恢復(fù)GDT觸發(fā)后無(wú)法恢復(fù)意味著GDT一直處于導(dǎo)通狀態(tài)線路被短路。這種情況通常發(fā)生在GDT承受了超過(guò)其耐受能力的浪涌之后管內(nèi)氣體持續(xù)電離或者電極被燒蝕后無(wú)法恢復(fù)絕緣。我遇到過(guò)一回一個(gè)室外設(shè)備的GDT在雷擊后一直導(dǎo)通導(dǎo)致電源短路設(shè)備斷電。拆下來(lái)測(cè)量GDT兩端的電阻只有幾歐姆確認(rèn)是GDT失效了。后來(lái)分析原因是雷擊能量超過(guò)了GDT的額定通流能力導(dǎo)致GDT內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。避免這種情況的方法一是選通流能力更大的GDT留足余量二是在GDT前面加保險(xiǎn)絲或者斷路器當(dāng)GDT失效短路時(shí)保險(xiǎn)絲熔斷切斷電路避免故障擴(kuò)大三是定期檢查和更換GDT特別是在雷雨季節(jié)之后。4.3 GDT與TVS配合時(shí)的時(shí)序問(wèn)題GDT和TVS配合使用時(shí)最常見(jiàn)的時(shí)序問(wèn)題是GDT還沒(méi)觸發(fā)TVS就已經(jīng)被打壞了。這個(gè)問(wèn)題的根源在于GDT的響應(yīng)速度比TVS慢如果退耦元件選擇不當(dāng)浪涌能量會(huì)在GDT觸發(fā)之前就傳到TVS上。排查這個(gè)問(wèn)題我會(huì)用示波器同時(shí)抓取GDT和TVS兩端的電壓波形看TVS的鉗位電壓是否在GDT觸發(fā)之前就已經(jīng)超過(guò)了TVS的耐受能力。如果是就要調(diào)整退耦元件的參數(shù)增大退耦電感或者電阻延緩浪涌能量傳到TVS的時(shí)間。還有一個(gè)技巧在TVS前面串聯(lián)一個(gè)電阻或者電感也可以延緩浪涌能量的傳遞。但要注意這個(gè)電阻或電感不能影響正常信號(hào)的質(zhì)量。我一般會(huì)先用仿真軟件模擬一下確定合適的參數(shù)范圍再實(shí)際搭電路驗(yàn)證。4.4 GDT選型速查表為了方便大家快速選型我整理了一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景的GDT選型參考表應(yīng)用場(chǎng)景工作電壓推薦直流擊穿電壓推薦通流能力極間電容要求220V交流電源220V AC470V-600V10kA-20kA無(wú)特殊要求24V直流電源24V DC90V-150V5kA-10kA無(wú)特殊要求RS-485信號(hào)線±5V90V-150V1kA-5kA5pF射頻天線小信號(hào)90V-200V1kA-5kA1pF千兆以太網(wǎng)差分信號(hào)90V-150V1kA-5kA1pF這個(gè)表是基于我個(gè)人的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)整理的實(shí)際選型時(shí)還要結(jié)合具體的電路條件和防護(hù)等級(jí)要求來(lái)調(diào)整。4.5 GDT使用中的幾個(gè)避坑要點(diǎn)第一個(gè)坑GDT的擊穿電壓分散性很大同一批次的器件可能相差±20%甚至更多。所以選型時(shí)不能按標(biāo)稱值來(lái)算要按最壞情況來(lái)考慮。我一般會(huì)要求廠家提供擊穿電壓的分布數(shù)據(jù)或者自己抽樣測(cè)試。第二個(gè)坑GDT的響應(yīng)速度慢不能單獨(dú)用作精密保護(hù)。一定要和TVS或者壓敏電阻配合使用形成多級(jí)防護(hù)。第三個(gè)坑GDT的壽命有限放電次數(shù)多了之后性能會(huì)下降。在浪涌頻繁的場(chǎng)景中要定期更換GDT或者選用壽命更長(zhǎng)的型號(hào)。第四個(gè)坑GDT的接地引線要盡量短否則引線電感會(huì)影響保護(hù)效果。我一般要求接地引線不超過(guò)10cm并且要單獨(dú)走線不能和其他地線共用。第五個(gè)坑GDT在高溫環(huán)境下?lián)舸╇妷簳?huì)下降選型時(shí)要考慮工作溫度范圍。如果設(shè)備工作在高溫環(huán)境中GDT的擊穿電壓要留出更大的余量。5. GDT測(cè)試與驗(yàn)證的實(shí)操方法5.1 直流擊穿電壓的測(cè)試直流擊穿電壓的測(cè)試比較簡(jiǎn)單用一臺(tái)可調(diào)直流電源配合限流電阻和電壓表就能做。測(cè)試時(shí)慢慢升高電壓記錄GDT觸發(fā)時(shí)的電壓值。注意升壓速率要控制在100V/s左右太快或者太慢都會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。我一般會(huì)測(cè)10顆樣品取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)估批次的一致性。如果標(biāo)準(zhǔn)差太大說(shuō)明這批GDT的質(zhì)量不穩(wěn)定要謹(jǐn)慎使用。5.2 沖擊擊穿電壓的測(cè)試沖擊擊穿電壓的測(cè)試需要用到浪涌發(fā)生器能輸出特定上升速率的電壓脈沖。測(cè)試時(shí)逐漸升高脈沖電壓記錄GDT觸發(fā)時(shí)的電壓值。這個(gè)測(cè)試比直流擊穿電壓測(cè)試更貼近實(shí)際應(yīng)用但設(shè)備要求也更高。如果沒(méi)有浪涌發(fā)生器可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的RC放電電路來(lái)模擬。電容充電到一定電壓后通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)GDT放電用示波器抓取GDT兩端的電壓波形。雖然精度不如專業(yè)設(shè)備但可以大致評(píng)估GDT的沖擊響應(yīng)特性。5.3 通流能力的驗(yàn)證通流能力的驗(yàn)證需要大功率浪涌發(fā)生器一般只有廠家或者專業(yè)實(shí)驗(yàn)室才有。如果條件允許可以送樣到第三方實(shí)驗(yàn)室做測(cè)試獲取權(quán)威的測(cè)試報(bào)告。在實(shí)際項(xiàng)目中我一般會(huì)依賴廠家提供的規(guī)格書數(shù)據(jù)但會(huì)要求廠家提供第三方測(cè)試報(bào)告或者自己的測(cè)試數(shù)據(jù)作為佐證。如果廠家無(wú)法提供就要謹(jǐn)慎選擇。5.4 老化測(cè)試與壽命評(píng)估老化測(cè)試是為了評(píng)估GDT在多次放電后的性能變化。我一般會(huì)做100次、300次、500次的放電測(cè)試每次測(cè)試后測(cè)量GDT的直流擊穿電壓和絕緣電阻看是否有明顯變化。如果擊穿電壓下降超過(guò)10%或者絕緣電阻降到MΩ級(jí)別以下就說(shuō)明GDT已經(jīng)老化需要更換。這個(gè)測(cè)試可以幫助確定GDT的更換周期特別是在浪涌頻繁的應(yīng)用場(chǎng)景中。6. 一些個(gè)人體會(huì)GDT這個(gè)器件說(shuō)簡(jiǎn)單也簡(jiǎn)單說(shuō)復(fù)雜也復(fù)雜。簡(jiǎn)單在于它的原理很直觀就是一個(gè)氣體放電開(kāi)關(guān)復(fù)雜在于它的參數(shù)分散性大、響應(yīng)速度慢、壽命有限要用好需要不少經(jīng)驗(yàn)積累。我在實(shí)際項(xiàng)目中最大的體會(huì)是GDT不能孤立地選型和設(shè)計(jì)一定要放在整個(gè)防護(hù)方案中來(lái)考慮。它和TVS、壓敏電阻、退耦元件的配合和接地系統(tǒng)的配合和整體布局的配合每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響最終的防護(hù)效果。另外GDT的測(cè)試和驗(yàn)證非常重要。規(guī)格書上的數(shù)據(jù)只能作為參考實(shí)際性能還要通過(guò)測(cè)試來(lái)確認(rèn)。特別是在關(guān)鍵應(yīng)用中一定要做充分的測(cè)試確保GDT在真實(shí)浪涌條件下的表現(xiàn)符合預(yù)期。最后分享一個(gè)小技巧在GDT的選型階段可以多找?guī)准覐S家要樣品做對(duì)比測(cè)試。不同廠家的GDT在擊穿電壓一致性、響應(yīng)速度、壽命等方面可能有明顯差異。通過(guò)對(duì)比測(cè)試可以選出最適合自己項(xiàng)目的型號(hào)。這個(gè)工作雖然花時(shí)間但能避免后期調(diào)試中的很多麻煩。