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随着电路板线路使用环境的日益复杂，电子设备必须承受越来越多的内外干扰，压敏电阻、TVS、PPTC、气体放电管等电路保护器件的作用越来越重要，以便系统受到过压、过流、过热、浪涌、电磁干扰等情况下不受损坏。
一、主流的电路保护器件
1.1 先来看看各种保护器件的名称
保险丝，Fuse
压敏电阻，Metal Oxide Varistors，简称MOV
热敏电阻，Thermistor
瞬态电压抑制器Transient Voltage Suppressors简称TVS
静电保护元件Electrostatic Discharge Protection Devices简称ESD
陶瓷气体放电管Gas Discharge Tubes简称GDT
玻璃气体放电管Spark Gap Protectors简称SPG
半导体放电管Thyristor Surge Suppressors简称TSS
1.2 最常用的 Fuse
保险丝（Fuse），也称熔断器。是放置于电路中的易于熔断的熔丝，用于对电路起过流保护的元件器。
保险丝接入电路后，一旦电路发生过流，保险丝的温度上升。达到一定程度后，熔丝熔断，切断电流，对后级电路起到保护作用。此处的“熔断”是物理意义上的断开，即“开路”，表现为电阻无穷大，电流为0。
保险丝一旦熔断后，需更换器件电路才能正常工作。
注意这里的保险丝 Fuse 和自恢复保险丝 ResettableFuse 是性质物理原理不同的两种器件，只是他们的保护功能类似，所以都叫成保险丝。
1.3 压敏电阻 MOV
MOV 压敏电阻
英文名称叫“Voltage DependentResistor” 简写为“VDR”, 或者叫做“Varistor"简写"VSR"。也叫做MOV(metal oxide varistors)。它的中文名称也很多，在台湾地区还叫做突波吸收器、浪涌抑制器、吸波器等。
MOV 一般并联在输入侧电路中主要是起“限制电压超高”作用。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，超过嵌位电压后电流迅速增大（但不会短路,这点与放电管不同），从而实现对后级电路的保护。
压敏电阻常常在固态继电器电路过压保护电路中的应用，当固态继电器用于驱动感性负载时，在电源接通与断开的瞬间会产生较高的浪涌电压，为了保护SSR内部的双向可控硅元件不致过电压而损坏或误动作，可在交流输出端并接一只压敏电阻。
压敏电阻的选择，如果是220V电源，采用470V即可；如果是380V电源，选用830V的。
1.4 热敏电阻 Thermistor
在电子元器件领域，约定俗成的叫法是把PTC和NTC当作一种元器件，而非一种物理效应。因此，PTC和NTC可以认为是正温度系数电阻器和负温度系数电阻器。从元器件的角度看，PTC和NTC都是热敏电阻的一种。
➡️ NTC为负温度系数热敏电阻，即温度越高，阻抗越小，常常串联在主回路，对于上电瞬间做一个缓冲作用，比如串在输入回路中限制开机浪涌电流。正常工作时发热，电阻降低，不影响工作，但是它是消耗能量的，功耗不能忽略。
为了避免电子电路中在开机的瞬间产生的浪涌电流, 在电源电路中串接一个功率型NTC 热敏电阻器,能有效地抑制开机时的浪涌电流,并且在完成抑制浪涌电流作用以后,由于通过其的额定持续电流很小,功率型NTC热敏电阻器的电阻值将下降到非常小的程度,它消耗的功率可以忽略不计,不会对正常的工作电流造成影响,所以,在电源回路中使用功率型NTC热敏电阻器,是抑制开机时的浪涌, 以保证电子设备免遭破坏的最为简便而有效的施。
没通电时,NTC的阻值高,一通电霎那,阻值仍高,限制了涌流,随着NTC有电流流过,温度增加,阻值下降到很低,可以忽略.正常工作时,电流小,阻值就小,那么突然来一个浪涌电流,或者电路那段路使得电流增大,那就起不了保护作用了。
例如电源短路了,由于NTC已经导通了,对它也无能为力,只有靠保险丝起作用.记住NTC只是起开机保护的就可以了.试想若电路已经正常上电,NTC已低阻,这时遭遇高压NTC是无能为力的。
在电源正常工作一段时间后,再进行频繁开关机,会对电源造成伤害的,因为这时由于NTC的温度上升,阻值下降,对浪涌的抑制能力已经极其有限了。
所以采用NTC抑制开机浪涌的电源设备,不能够频繁的开关机.需要等NTC冷却,恢复至其冷态阻值后,才能再次开机.要不,安装NTC的意义就没有了。
➡️ PTC为正温度系数热敏电阻即温度越高，阻抗越大，常常串联在主回路中使用，属于电流保护性的。
这里的 PTC 根据材料的不同又分为两类，分别是 PPTC 和 CPTC。
聚合物PPTC由高分子聚合物掺入碳粉经挤压成形。碳粉形成碳链导电，受热时聚合物膨胀，碳链断裂形成高阻。而陶瓷CPTC是由具有正温度系数特性的钛酸钡粉末经电子陶瓷工艺高温烧结而成。其共同之处在于可恢复性。
聚合物PPTC的主要优点为：常温零功率电阻可以做得很小，大电流产品只有几个毫欧姆，在电路中功耗较小，可以忽略不计、体积相对较小。可串联在易损电路内作过流保护、温度保险丝用，阻值突变速度快，在几个ms数量级，热容小，恢复时间短，耐冲击，可循环保护达8000次之多。PPTC可以用作过温度保险丝用，因此在电路中在一定程度上体现出了温度保险丝性能和温度保险丝作用。达到在电路中实现过流保护和过温保护的双重保护功能。
陶瓷CPTC的主要优点为：制造容易，相对价格便宜，但电阻大、体积大、在电路中损耗大，有几十至几千Ω范围，适宜用作小电流过流保护，高温过热时易出现负阻效应（阻值变小）、保护速度慢，在上百ms的数量级、热容大，恢复时间长。应用范围相对较窄，如不能应用于快速保护的电路、汽车线束保护、PCB线迹保护等，多应用于发热器件、在某些小信号回路，不需要考虑损耗的地方可以选用。
PPTC（高分子正温度系数热敏电阻）与CPTC（陶瓷正温度系数热敏电阻）的不同在于元件的初始阻值、动作时间以及尺寸大小的差别。在相同维持电流的高分子PTC热敏电阻与陶瓷PTC热敏电阻相比，高分子PTC热敏电阻尺寸更小、阻值更低，同时反应更快。
二、按照器件的保护类型分类
按照保护类型，保护器件可分为三大类：
钳位型（TVS、ESD、MOV）
开关型（GDT、SPG、TSS）
过电流型（PPTC）
▲ 不同类型器件的保护动作电流和动作时间分布
2.1 箝位型过电压保护器件
箝位型过电压保护器件为电压控制型器件。在电压达到击穿电压时，器件的电阻瞬间减小为低阻抗，泄放大浪涌电流，从而将浪涌电压限制在一个较低的水平。导通后，器件的箝位电压会高于击穿电压，器件两端的箝位电压与瞬间通过的浪涌电流大小成正比关系。
箝位型过电压保护器件常应用于电源线、低频通信线路的过电压防护，代表产品有：瞬态电压抑制二极管（TVS）、金属氧化物压敏电阻（MOV）、静电保护（ESD）元件。
▲ 不同保护器件的伏安特性曲线
TVS管是瞬态电压抑制器的简称。它的特点是：响应速度特别快（为ns级），耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差。
当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。
压敏电阻：比如一个“标称300V”的压敏电阻在 220V的工作中,突然220V上升到310V这时压敏电阻被击穿,通过很大的电流, 熔断了保险丝后,就保护了后面的电路,然后压敏电阻又恢复了原来的状态.
TVS管和压敏电阻比较：TVS管和压敏电阻都靠改变自身的阻扰特性来进行静电放电，瞬态电压和浪涌电压的控制，而主要差异是导通后的阻扰，TVS有高灵敏度的N/P结进行控制，其导通阻扰很低，而MOV的导通阻扰要比TVS高出许多，从而导致箝位电压、箝位比率的差异。TVS管主要用于低电压电路，而压敏电阻主要用于高压电路中。
ESD 则是通过瞬态电压抑制二极管（TVS）阵列封装后，成为瞬态抑制二极管阵列（TVS Array）。
从工艺上看，ESD是将多个TVS晶粒或二极管采用不同的布局做成具有特定功能的多路或单路ESD保护器件，主要应用于各类通信接口ESD保护，如USB、HDMI、RS485、RS232、VGA、RJ11、RJ45、BNC、SIM卡、SD卡等。
ESD器件封装多样化，从单路的DFN0201到多路的SOIC-16、QFN-10等，电路设计工程师可以根据电路板布局及接口类型选择不同封装的ESD器件。
2.2 过流型保护器件（PPTC）
PPTC（Polymer Positive Temperature Coefficient）是用聚合物制作的可反复应用的正温度系数热敏电阻。PPTC属于过电流型保护器件，常应用于小电流输入的电源线过电流保护，或两级过电压保护器件之间做退耦等。
当有异常过电流通过时，PPTC产生的热量（为I²R）使聚合物基体膨胀，包裹在聚合物基体外的碳黑粒子会分开从而切断PPTC的导电通道使PPTC电阻将上升，从而减小异常过电流。当异常过电流故障清除后，PPTC聚合物分子收缩至原来的形状重新将碳黑粒子连接起来，导电通道会恢复，PPTC电阻又恢复到原来的低阻状态。上述过程可循环多次。
PPTC最大的特点就是在其额定使用范围内，在每次电流故障后不需要更换，可反复多次应用于过电流保护，可有效节约维修时间及成本。PPTC选型注意以下参数：
维持电流Ihold：自恢复保险丝的维持电流应大于线路的正常工作电流，否则会影响线路正常工作。
最大耐压Vmax：应大于线路的工作电压，否则容易导致PPTC失效。
环境温度：PPTC对环境温度较敏感，应根据环境温度降额选取PPTC的维持电流。当环境温度大于85℃时，不建议使用PPTC。
PPTC-正温度系数热敏电阻的相关参数详解
2.3 开关型过电压保护器件
对于开关型过电压保护器件，当电压达到击穿电压后，其电阻瞬间减小为低阻态，泄放浪涌电流，并将浪涌电压限制在一个较低的水平。
开关型过电压保护器件的特点是器件导通后其两端的电压会低于器件的击穿电压，常用于通信系统高频信号线浪涌防护，主要有陶瓷气体放电管（GDT）、玻璃气体放电管（SPG）、半导体放电管（TSS）。
陶瓷气体放电管（Gas Discharge Tubes, GDT）由封装在充满惰性气体的陶瓷管中具有一个或一个以上的放电间隙组成。
GDT电气性能取决于气体种类、气体压力、内部电极结构、制作工艺等因素。GDT可以承受高达数十甚至数百千安培的浪涌电流冲击，具有极低的结电容，应用于保护电子设备和人身免遭瞬态高电压的危害。
玻璃气体放电管（Spark Gap Protectors, SPG）也称强效气体放电管，通过电极之间的距离获得放电微隙，管内充有隋性气体，用玻璃管和杜镁丝线玻封而成。
当SPG两端电压增高时，附近气体被电离，微隙处开始出现放电现象。随着两极压降逐渐增大，放电电流也随之增大，其电离区随之扩大，此时放电电流经气体电离区流向另一极，当电流继续增加到一定程度时，管内出现从辉光放电向弧光放电转换，产品由高阻状态进入低阻状态，SPG两端的电压也随之减小，从而对后面的电路起到保护作用，在异常电压消失后，产品又恢复到高阻状态。
玻璃气体放电管主要考虑4个参数：
1、直流击穿电压：在应用中，放电管的直流击穿电压下限值应高于线路的最大正常工作电压，否则会影响电路正常工作。
2、脉冲击穿电压：要确保器件脉冲击穿电压值低于后级被保护线路所能承受的最高瞬时电压值。
3、标称放电电流：根据应用场合及线路中可能出现的冲击电流强度，确定所选用放电管必须达到的耐冲击电流强度。
4、续流问题：电压较高的有源电路不能单独使用气体放电管作为过电压保护器件。为了使放电管能正常熄弧，在有可能出现续流的地方，可在放电管上串联压敏电阻或自恢复保险丝等限流器件。
TSS半导体放电管是一种电压开关型瞬态抑制二极管，即涌压抑制晶体管，或称为导体放电管、固体放电管等。
它拥有的属性大致有以下几点：
1. 击穿前，电阻大，几乎没有漏电流；击穿后，可通过大电流，降压小；
2. 具有纳秒级别的响应速度；
3. 在标准波形下，它的通流量可以达到上百安培；
4. 有双向对称的特性；
5.它的击穿电压较高；
6. 封装形式多样，种类丰富，有插件、贴片以及阵列式；
7. 结电容挺大的，大多在几十至几百pF；
8. 它的漏电流较低，低至1μA以下；
TSS管是利用半导体工艺制成的保护器件，其通流容量一般最高可达150A(8/20uS)。
TSS管和TVS管是利用半导体技术制作的限压保护器件，TSS管是电压开关型的。TVS是电压钳型的，需注意TSS管不能用在电源端口。
TSS管在响应时间、结电容量方面具有与TVS管相同的特征。容易制作表贴装置，适用于单板，TSS管动作后，将过电压从破坏电压值附近下降到接近0V的水平。此时由于二极管的结压降小，因此用于保护信号电平高的线路(例如模拟用户线路、ADSL等)时的通信量比TVS管大，保护效果也比TVS管好。TSS管适用于保护信号电平高的信号线路。
使用TSS管时应注意的问题是，TSS管在过电压下破坏后，流过TSS管的电流值下降到临界值以下后，TSS管恢复开路状态，因此TSS管在信号线路中使用时，信号线路的常态电流应小于TSS管的临界恢复电流。根据TSS管的型号和设计应用场合的不同，临界恢复电流值也有所不同，使用时应注意在设备手册中查明所用特定型号的确切值。
TSS管的破坏电压（min(UBR)）、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在信号电路中，min(UBR)≥(1.2~1.5)Umax，式中Umax是信号电路的峰值电压。
TSS管较多应用于信号线路的防雷保护。TSS管的失效模式主要是短路。但当通过的过电流太大时，也可能造成TSS管被炸裂而开路。TSS管的使用寿命相对较长。
2.4 过电压防护器件性能比较
GDT结电容低，绝缘阻抗大，是通流量最大的器件，可做到100kA（8/20μs）。
GDT的导通为气体电离形成导电通道，需要较大的能量去激发它，有一个能量累积的过程，所以GDT的响应时间是所有过电压保护器件中最慢的一个。
GDT可用于高速通信线路防雷保护，如同轴电缆，电话线接口，高清视频接口、以太网口等。
MOV的通流量仅次于GDT，响应速度为纳秒级，广泛应用于交流电源线，低频信号线的防雷保护。
使用中，由于GDT和SPG具有较大的绝缘阻抗，在AC输入端，常常和MOV串联到共模地来应用，以减缓MOV的老化。
hyperfix为超大功率TVS，采用大面积芯片叠加制成，比普通的TVS功率大几十甚至几百倍，可直接替代MOV应用于交流输入端口的第一级防雷保护。hyperfix具有通流量大、响应速度快、无老化、箝位电压低等优点，适用于对防护器件要求较高的应用场合，如通信电源、飞机、机车等领域。
TSS在上文提到，它作为一种具有负阻特性的浪涌保护器件，由于其特殊的PNPN结结构设计，在相同的芯片面积上，TSS可以做到比同尺寸及电压的TVS通流量大几倍，而电容比同规格的TVS小几倍，可以用于一些通信线路的浪涌保护，如RS485、RS232、CAN总线等。TSS具有较高的性价比，是低速通信线路浪涌防护的理想选择。
TVS一般采用贴片或插件封装，体积较小，常应用于直流电源线或低速通信线路的浪涌防护。ESD由多个二极管或TVS组合而成，导通时间较TVS慢一些，芯片晶粒面积也较小，可以做到小型微型化封装，结电容最小可以做到零点几个pf，适用于高速数据线路的ESD防护，如HDMI、USB3.0、IEEE1394等。
除了上述三大类器件，同时，还应考虑一些新型的保护产品，如贴片压敏电阻（Multi-Layer Ceramic chip Varistor，MLCV），这是一种利用氧化锌陶瓷制作的类似MLCC结构的多层片式陶瓷电压敏感电阻器，具有静电抑制型、常规过压保护型、高能型和高压型三种类型，常用于高速传输接口保护。
下载ECAD模型
