在電源輸入端與地腳（GND）之間串聯壓敏電阻（Varistor）是一種常見的電路保護設計，其核心作用是抑制電源線上的瞬態過電壓（如雷擊、靜電、開關操作等產生的浪涌電壓），防止這些高壓脈沖損壞后級電路。以下是詳細解析：

一、壓敏電阻在電源輸入端的核心作用

1. 浪涌電壓抑制（過壓保護）

• 原理：壓敏電阻的阻值隨電壓非線性變化。當電源輸入端出現瞬態高壓脈沖（如雷擊、感性負載開關產生的尖峰電壓）時，電壓超過壓敏電阻的標稱電壓（V?mA），其阻值從兆歐級驟降至毫歐級，將浪涌電流分流至地，從而限制加在后級電路上的電壓。

• 效果：將電壓鉗位在安全范圍內（通常為標稱電壓的1.2~1.5倍），避免后級元件（如電容、芯片、傳感器等）因過壓擊穿或老化。

2. 靜電放電（ESD）防護

• 場景：人體接觸電源接口或設備外殼時，可能產生數千伏的靜電放電（ESD）。

• 作用：壓敏電阻快速導通，將靜電能量泄放至地，防止ESD通過電源線竄入內部電路，造成芯片邏輯錯誤或物理損壞。

3. 電源線噪聲濾波（輔助作用）

• 高頻噪聲抑制：壓敏電阻的寄生電容（通常為幾百pF至幾nF）可與電源線上的電感形成低通濾波器，衰減高頻干擾信號（如開關電源產生的電磁噪聲）。

• 注意：此作用較弱，通常需配合磁珠、電容等元件實現完整濾波。

二、為什么選擇“電源輸入端與地腳串聯”？

1. 直接泄放路徑

• 短路到地：當壓敏電阻導通時，浪涌電流直接通過最短路徑流向地，避免在電路板內部分流，減少對其他元件的干擾。

• 對比方案：若將壓敏電阻并聯在電源兩端（不接地），浪涌電流可能通過電源線回流，仍可能損壞后級電路。

2. 符合安全標準

• 接地要求：多數電子設備的外殼需接地，將壓敏電阻接地可確保浪涌能量通過安全路徑釋放，避免觸電風險。

• 認證需求：滿足IEC 61000-4-5（浪涌抗擾度測試）等國際標準，提升產品可靠性。

3. 保護范圍全面

• 差模保護：抑制電源線（L-N）之間的浪涌電壓。

• 共模保護：通過接地，同時抑制電源線與地（L-GND、N-GND）之間的浪涌電壓，防止共模干擾影響電路性能。

三、實際應用中的關鍵設計要點

1. 壓敏電阻選型

• 標稱電壓（V?mA）：需高于電路正常工作電壓的峰值，但低于后級元件的耐壓值。例如：

• 220V AC電源：選V?mA=470V~680V的壓敏電阻。

• 12V DC電源：選V?mA=18V~33V的壓敏電阻。

• 通流容量（Ipp）：根據預期浪涌電流大小選擇。例如：

• 家庭電器：選2kA~4kA（8/20μs波形）。

• 工業設備：選10kA~40kA，甚至更高。

• 能量吸收能力（W?）：需能承受單次浪涌的能量，避免燒毀。例如：

• 雷擊浪涌：選W?≥100J的型號。

2. 布局與安裝

• 靠近電源入口：壓敏電阻應盡可能靠近電源接口，縮短浪涌電流路徑，減少寄生電感的影響。

• 低阻抗連接：使用寬銅箔或短導線連接，降低接觸電阻和電感，避免因線路阻抗導致鉗位電壓升高。

• 避免熱耦合：與發熱元件（如功率管、變壓器）保持距離，防止溫度升高導致壓敏電阻性能漂移。

3. 與其他保護元件的配合

• 氣體放電管（GDT）：用于初級浪涌防護（耐壓高、通流大），與壓敏電阻串聯可降低殘壓。

• TVS二極管：響應速度更快（納秒級），用于精細保護（如USB接口、數據線路），與壓敏電阻并聯可覆蓋不同幅值的浪涌。

• 保險絲：在壓敏電阻短路失效時，保險絲熔斷，切斷電路，防止火災風險。

四、典型應用場景示例

1. 家用電器（如空調、冰箱）

• 問題：電源線可能引入雷擊浪涌或開關機產生的尖峰電壓。

• 方案：在電源輸入端與地之間串聯壓敏電阻（如14D471K，V?mA=470V，Ipp=2kA），配合Y電容和共模電感實現完整防護。

2. 工業控制設備（如PLC、變頻器）

• 問題：工廠環境中電磁干擾強烈，電源線可能耦合高頻噪聲或感應雷。

• 方案：采用多級保護：

• 初級：壓敏電阻+GDT（如20D681K+3極GDT）。

• 次級：TVS二極管（如SMAJ15CA）保護敏感芯片。

3. 通信設備（如路由器、交換機）

• 問題：靜電放電（ESD）易通過電源接口損壞網絡芯片。

• 方案：在電源入口處串聯壓敏電阻（如07D471K，小尺寸、低電容），同時增加ESD防護陣列（如ESD5Z5.0T1）。

五、常見問題與解決方案

1. 壓敏電阻頻繁失效

• 原因：浪涌電流超過通流容量，或環境溫度過高導致性能退化。

• 解決：

• 選用更高通流容量的型號（如從2kA升級到4kA）。

• 增加散熱設計（如貼散熱片或使用導熱膠）。

• 串聯保險絲，防止持續過流。

2. 鉗位電壓過高

• 原因：壓敏電阻標稱電壓選擇不當，或線路電感過大。

• 解決：

• 降低標稱電壓（如從470V改為390V），但需確保正常工作電壓不觸發導通。

• 優化布局，縮短壓敏電阻與電源接口的距離。

3. 漏電流過大

• 原因：壓敏電阻老化或受潮，導致靜態阻值下降。

• 解決：

• 選用低漏電流型號（如高阻抗系列）。

• 增加密封設計（如涂三防漆），防止潮濕環境影響。

六、總結：電源輸入端與地腳串壓敏電阻的核心價值

• 本質：通過非線性阻抗特性，將瞬態高壓轉化為可控電流，保護后級電路免受浪涌損害。

• 優勢：

• 成本低、響應快（納秒級）、通流能力強。

• 設計簡單，無需復雜控制電路。

• 局限性：

• 失效模式多為短路，需配合保險絲防止火災。

• 長期承受小電流浪涌可能導致性能退化。

推薦實踐：在電源設計中，壓敏電阻應作為第一級浪涌防護，與TVS二極管、濾波器等元件協同工作，構建多層次保護體系，確保設備在惡劣電磁環境下的可靠性。