在电源输入端与地脚（GND）之间串联压敏电阻（Varistor）是一种常见的电路保护设计，其核心作用是抑制电源线上的瞬态过电压（如雷击、静电、开关操作等产生的浪涌电压），防止这些高压脉冲损坏后级电路。以下是详细解析：

一、压敏电阻在电源输入端的核心作用

1. 浪涌电压抑制（过压保护）

• 原理：压敏电阻的阻值随电压非线性变化。当电源输入端出现瞬态高压脉冲（如雷击、感性负载开关产生的尖峰电压）时，电压超过压敏电阻的标称电压（V₁mA），其阻值从兆欧级骤降至毫欧级，将浪涌电流分流至地，从而限制加在后级电路上的电压。

• 效果：将电压钳位在安全范围内（通常为标称电压的1.2~1.5倍），避免后级元件（如电容、芯片、传感器等）因过压击穿或老化。

2. 静电放电（ESD）防护

• 场景：人体接触电源接口或设备外壳时，可能产生数千伏的静电放电（ESD）。

• 作用：压敏电阻快速导通，将静电能量泄放至地，防止ESD通过电源线窜入内部电路，造成芯片逻辑错误或物理损坏。

3. 电源线噪声滤波（辅助作用）

• 高频噪声抑制：压敏电阻的寄生电容（通常为几百pF至几nF）可与电源线上的电感形成低通滤波器，衰减高频干扰信号（如开关电源产生的电磁噪声）。

• 注意：此作用较弱，通常需配合磁珠、电容等元件实现完整滤波。

二、为什么选择“电源输入端与地脚串联”？

1. 直接泄放路径

• 短路到地：当压敏电阻导通时，浪涌电流直接通过最短路径流向地，避免在电路板内部分流，减少对其他元件的干扰。

• 对比方案：若将压敏电阻并联在电源两端（不接地），浪涌电流可能通过电源线回流，仍可能损坏后级电路。

2. 符合安全标准

• 接地要求：多数电子设备的外壳需接地，将压敏电阻接地可确保浪涌能量通过安全路径释放，避免触电风险。

• 认证需求：满足IEC 61000-4-5（浪涌抗扰度测试）等国际标准，提升产品可靠性。

3. 保护范围全面

• 差模保护：抑制电源线（L-N）之间的浪涌电压。

• 共模保护：通过接地，同时抑制电源线与地（L-GND、N-GND）之间的浪涌电压，防止共模干扰影响电路性能。

三、实际应用中的关键设计要点

1. 压敏电阻选型

• 标称电压（V₁mA）：需高于电路正常工作电压的峰值，但低于后级元件的耐压值。例如：

• 220V AC电源：选V₁mA=470V~680V的压敏电阻。

• 12V DC电源：选V₁mA=18V~33V的压敏电阻。

• 通流容量（Ipp）：根据预期浪涌电流大小选择。例如：

• 家庭电器：选2kA~4kA（8/20μs波形）。

• 工业设备：选10kA~40kA，甚至更高。

• 能量吸收能力（Wₜ）：需能承受单次浪涌的能量，避免烧毁。例如：

• 雷击浪涌：选Wₜ≥100J的型号。

2. 布局与安装

• 靠近电源入口：压敏电阻应尽可能靠近电源接口，缩短浪涌电流路径，减少寄生电感的影响。

• 低阻抗连接：使用宽铜箔或短导线连接，降低接触电阻和电感，避免因线路阻抗导致钳位电压升高。

• 避免热耦合：与发热元件（如功率管、变压器）保持距离，防止温度升高导致压敏电阻性能漂移。

3. 与其他保护元件的配合

• 气体放电管（GDT）：用于初级浪涌防护（耐压高、通流大），与压敏电阻串联可降低残压。

• TVS二极管：响应速度更快（纳秒级），用于精细保护（如USB接口、数据线路），与压敏电阻并联可覆盖不同幅值的浪涌。

• 保险丝：在压敏电阻短路失效时，保险丝熔断，切断电路，防止火灾风险。

四、典型应用场景示例

1. 家用电器（如空调、冰箱）

• 问题：电源线可能引入雷击浪涌或开关机产生的尖峰电压。

• 方案：在电源输入端与地之间串联压敏电阻（如14D471K，V₁mA=470V，Ipp=2kA），配合Y电容和共模电感实现完整防护。

2. 工业控制设备（如PLC、变频器）

• 问题：工厂环境中电磁干扰强烈，电源线可能耦合高频噪声或感应雷。

• 方案：采用多级保护：

• 初级：压敏电阻+GDT（如20D681K+3极GDT）。

• 次级：TVS二极管（如SMAJ15CA）保护敏感芯片。

3. 通信设备（如路由器、交换机）

• 问题：静电放电（ESD）易通过电源接口损坏网络芯片。

• 方案：在电源入口处串联压敏电阻（如07D471K，小尺寸、低电容），同时增加ESD防护阵列（如ESD5Z5.0T1）。

五、常见问题与解决方案

1. 压敏电阻频繁失效

• 原因：浪涌电流超过通流容量，或环境温度过高导致性能退化。

• 解决：

• 选用更高通流容量的型号（如从2kA升级到4kA）。

• 增加散热设计（如贴散热片或使用导热胶）。

• 串联保险丝，防止持续过流。

2. 钳位电压过高

• 原因：压敏电阻标称电压选择不当，或线路电感过大。

• 解决：

• 降低标称电压（如从470V改为390V），但需确保正常工作电压不触发导通。

• 优化布局，缩短压敏电阻与电源接口的距离。

3. 漏电流过大

• 原因：压敏电阻老化或受潮，导致静态阻值下降。

• 解决：

• 选用低漏电流型号（如高阻抗系列）。

• 增加密封设计（如涂三防漆），防止潮湿环境影响。

六、总结：电源输入端与地脚串压敏电阻的核心价值

• 本质：通过非线性阻抗特性，将瞬态高压转化为可控电流，保护后级电路免受浪涌损害。

• 优势：

• 成本低、响应快（纳秒级）、通流能力强。

• 设计简单，无需复杂控制电路。

• 局限性：

• 失效模式多为短路，需配合保险丝防止火灾。

• 长期承受小电流浪涌可能导致性能退化。

推荐实践：在电源设计中，压敏电阻应作为第一级浪涌防护，与TVS二极管、滤波器等元件协同工作，构建多层次保护体系，确保设备在恶劣电磁环境下的可靠性。