（1. 中兴通讯南京研发中心；2. 中国电信股份有限公司广东省研究院）
摘要：针对金属氧化物压敏电阻 （MOV） 在工作中出现的失效和燃烧事故， 给出几种在线监控MOV的方法， 其能够在MOV失效前发出告警信号， 并及时处理， 从而避免严重事故发生。通过实践证明该监控方法有效并且可规模应用。监控技术在MOV器件上实现技术和应用突破， 可供其他类型浪涌保护器件参考。
全文发表在《电子质量》2024.4
0 引言
压敏电阻 （MOV：Metal Oxide Varistor） 是一种半导体元件， 具有独特的晶界结构， 其电阻值随着电压的增大而急剧减小， 具有优异的非线性伏安特性、 高通流容量、 低残压、 无续流且成本较低等优点， 已被首选使用在电源和信号口作为过电压保护元件 [1-3]。MOV本身通流容量虽大， 但能量容量却不大，即它的额定连续功率很小， 常用的MOV额定功率一般都是mW级别， 在通过恒流时就无法承受了。
比如MOV运行在U=53 V电路中， 由于老化产生漏电流100 μA， 根据P=UI， 将U=53 V和I=100 μA代入， 计算得出发热功耗为5.3 mW， 和MOV本身功率是一个级别。当MOV漏电流达到mA级时， 足够超过本身所能承受的连续功率， 从而引起燃烧问题。
针对MOV失效引起的燃烧问题， 目前业界给出的主流方法都是堵的方法， 此方法存在诸多缺点， 无法达到真正解决MOV燃烧问题的效果 [4-5]。最新的研究技术通过疏的方法， 提前预防告警和处理， 从而真正地杜绝MOV发生燃烧问题。目前这方面的技术， 主要从温度异常和漏电流异常两方面去考虑。
从原因上分析， MOV失效可分为老化失效和暂态过电压破坏2种类型。
a） 老化失效
老化失效指的是MOV长时间工作状态中， 漏电流超过规定限值， 并呈非线性增加， 从而导致MOV显著下降， 直至为零。MOV由于超过常规的漏电流存在， 内部低阻线性化逐步加剧， 漏电流恶性增加且集中流入薄弱点， 薄弱点材料融化，形成1 kΩ左右的短路孔后， 电源继续推动一个较大的电流灌入短路点， 形成高热而起火， 表象如图1所示[6]。
b） 暂态过压破坏
暂态过电压或工频电压破坏指较强的暂态过电压使电阻体穿孔， 导致更大的电流， 超过MOV本身所能承受的功率， 从而导致高温起火， 表象如图2所示。
MOV有2个重要参数， 即：压敏电压和漏电流。压敏电压指通过规定电流 （一般为1 mA） 时，MOV两端产生的端电压， 又称为标称电压， 即击穿电压或阈值电压。压敏电压直接作为衡量MOV好坏的一个标准。压敏电压误差范围为±10%， 如果超出此范围， 则作为失效的判据。这也是厂家测试和生产检验的参考依据。
漏电流是指MOV在规定的温度和最大直流工作电压下， 流过MOV的电流。一般要求小于20 μA或10 μA。在实际使用中， 需注意的不是静态漏电流值本身的大小， 而是稳定性 （即稳定变化率），μA级别， 没有发生突变， 即认为是稳定的。
漏电流20 μA只是作为元器件厂家接受检查的一个参考依据， 不作为实际应用中失效的判据。在实际应用中， 此数值过于严格。针对浪涌保护器件 （SPD：Surge Protection Device） 具体应用的标准GB/T 18802. 11 《低压电涌保护器 （SPD） 第11部分：性能要求和试验方法》， 合格判据规定了在经过测试之后漏电流不能超过1 mA。这与MOV本身特性符合， 在漏电流为μA级别时， 变化率固定， MOV通过和环境的热交换， 本身并不积累热量， 属于正常工作状态， 但漏电流一旦突破μA级到mA级别时， 就呈非线性突变， 热量开始积累， 加剧漏电流进一步增大， 直到产生燃烧现象。目前的在线监控技术主要是基于这个特性设计的。
针对MOV失效引起的燃烧问题， 有外加防爆盒设计， 或在MOV外面涂覆防燃烧物质， 或给MOV套上防燃烧套管， 保证MOV不会燃烧或在意外燃烧时， 不影响到环境和周围器件。但这些方法存在很大的缺点， 其以牺牲MOV本身的性能为代价， 会影响MOV的散热， 降低其性能， 此外这些方法都不带在线监控功能， 无法输出告警信号，无法大规模商用。
在不影响MOV 的同时， 还能够实时监控、检测和处理性能， 并且器件的状态， 避免燃烧，是器件厂家和设备厂家共同的愿望。目前这方面的技术， 主要从温度异常和漏电流异常两方面去考虑。
a） 该技术将MOV 和 温度保险丝 （TCO：Thermal Cut-Off） 串联封装在一起， 利用热传导将漏电流在MOV上产生的热量传导到TCO上， 在温度升高至TCO的设定温度时 （此温度也是MOV本身所能承受的最大温度）， TCO熔断， 将MOV从电路中断开， 不再有电流通过MOV， 主电路不受影响， 工作正常。同时并联二极管信号灯在TCO熔断时， 信号灯熄灭， 给外界发出异常信号， 如图3所示。
热熔接点应与电阻体有良好的热耦合， 当最大冲击电流流过时不会断开， 但当温度超过MOV体上限工作温度时即断开。内含TCO的MOV又称TMOV [1， 7-8]。
b） 上述方法有个弊端， 必须在现场观察灯的状态才能知道MOV状态。于是可把TCO状态转换为告警信号输出， 通过板上信号处理器把TCO熔断信号作为告警信号上报， 如图4所示。
c） 由于TCO串联在MOV回路上， 对TCO的温度敏感性要求特别高， 以免在浪涌时误动作， 存在TCO选型上放宽温度要求， 结果可能造成压敏超温时， TCO不能及时熔断。为避免这个问题，在MOV旁边紧密并排一个温度系数相对小些， 对温度更敏感的TCO， 能够保证MOV超温时及时熔断， 并把断路信号作为告警信号上报， 如图5所示。
d） 上述方案也存在隐患， 如果告警信号没有及时被发现， 或者发现没有处理， 则MOV持续积累热量， 最终会造成燃烧。在图5的基础上， MOV回路再串联一个熔断点 （温度系数） 比TCO2高的TCO1。这样就能保证如果告警信号没有及时处理时， TCO1会随着温度继续升高而熔断， 避免MOV燃烧， 如图6所示。
e） 在图6的基础上， 给TCO1加个告警二极管灯，保证现场也能观察到MOV的状态， 这样利用TCO监控MOV状态的设计方法就很完善， 如图7所示。
低熔点焊接+微动开关技术也是目前很多SPD厂家采用的技术， 主要通过温度和机械装置来完成。在MOV引脚处增加一个低熔点焊接点。在MOV漏电流过大， 温度升高到一定程度时， 焊接点熔断， 在机械外力作用下焊接点迅速分离， 从而将MOV从电路中切除， 同时联动告警触发， 利用微动开关的灵敏性， 发出告警信号。
如图8所示， 正常状态时， 微动开关的控制杆是被遮弧滑块压下的， 微动开关处于短路状态，输出短信信号。当电源模块内部的MOV失效过热后， 低温脱扣焊台熔化， 脱离弹片弹起， 遮弧滑块会在弹簧的作用下， 向前移动， 不再压制微动开关控制杆， 使得微动开关的控制杆向上弹起，这时微动开关的状态会由短路状态变更为开路状态， 输出开路干接点信号。
利用电流互感器 （CT：Current Transformer）监测通过MOV的漏电流， 并将漏电流信号传送到前级放大电路， 由前级放大电路对μA级电流进行放大。放大后的信号， 供给单板上处理单元进行采样和数据处理， 完成对MOV漏电流的实时监控 [3]。当MOV漏电流超过预警门限值时， 处理单元将告警信息实时发送至后台监控管理单元， 框图如图9所示。
以使用TCO技术作为在线监控和输出告警信号为例， 图10给出告警信号处理的原理框图， 其他监控方法告警信号处理方法可类似参考。
图10在图7的基础上增加告警信号处理电路，电路中增加一个防反二极管， 防止电源反接时对电路造成破坏。利用光耦将TCO2断开的高电平信号转换为低电平逻辑信号， 起到隔离和转换作用。转换后的逻辑信号 （即告警信号） 输入给后级CPLD， CPLD逻辑负责产生中断， 针对过来的中断信号， 软件人员编写告警代码在CPU中运行， 通过网络发送告警信息给网管平台， 网管平台24 h监控告警信息。由于光耦本身通流能力很小， 需要增加电阻R1和R2进行限流， 同时增加电容对信号进行滤波。MOV参数可根据防护电路电源性质、 后级别被保护电路的性质和防护的瞬态冲击幅值， 来确定合适的压敏电压、 嵌位电压和最大通流能力。
实时监控和在线检测MOV的状态， 并针对异常状态实时上报告警信息， 在失效和进一步发生燃烧前， 及时进行解决， 杜绝严重问题的发生，已经成为MOV应用的趋势。本文结合目前保护器件行业发展情况和相关文献资料， 给出一些MOV在线监控设计方法， 同时供其他类型浪涌保护器件设计参考。下一步将针对气体放电管 （GDT：Gas Discharge Tube） 和瞬态抑制二极管 （TVS：Transient Voltage
Suppression diode） 的自身特性，和MOV的异同， 给出具体的防护方法。随着未来科技发展和产品自身要求的变高， 也一定会有更新技术产生。
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