微電子設(shè)備防雷及電涌保護(hù)常用設(shè)計(jì)方法

【導(dǎo)讀】本文詳細(xì)介紹了防護(hù)雷電及過(guò)電壓的常用方法：分流、均壓、屏蔽、接地和保護(hù)。對(duì)構(gòu)成浪涌保護(hù)器的內(nèi)部器件如：放電管、壓敏電阻、TVS瞬態(tài)電壓抑制器、共模線圈等也有詳細(xì)介紹，且根據(jù)器件的各自特點(diǎn)設(shè)計(jì)理想的浪涌保護(hù)器。

微電子設(shè)備遭受雷電的危害

微電子設(shè)備由于雷擊放電或者電氣設(shè)備的開關(guān)操作而產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)設(shè)備造成失效 、損壞的實(shí)例屢見不鮮，由此造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。直接損失通常反映設(shè)備使用者在硬件方面的損失，可以修復(fù)或者替換。然而軟件方面的損失以及設(shè)備停機(jī)所造成的損失是無(wú)法彌補(bǔ)的。對(duì)微電子設(shè)備采取行之有效的保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)集成度越高而耐受過(guò)電壓能力越來(lái)越低的電子系統(tǒng)(設(shè)備)的可靠防護(hù)，盡量減小其遭受雷擊或沖擊過(guò)電壓的干擾和損壞，已成為微電子設(shè)備可靠性工作中急需解決的問(wèn)題。

微電子設(shè)備通常工作在低壓電網(wǎng)中，低壓電網(wǎng)中過(guò)電壓有四類：雷電引起的過(guò)電壓、靜電放電、操作過(guò)電壓以及工頻過(guò)電壓。過(guò)電壓通常以共模(過(guò)電壓在帶電導(dǎo)體或中性線和大地之間產(chǎn)生)和差模(過(guò)電壓在帶電導(dǎo)體之間產(chǎn)生)兩種干擾方式干擾低壓電網(wǎng)，其中雷電過(guò)電壓破壞性最大。

防雷及過(guò)電壓保護(hù)機(jī)理

在電子設(shè)備防雷及過(guò)電壓保護(hù)上，通常采用分流、均壓、屏蔽、接地及保護(hù)等方式。這種電子設(shè)備是目前雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過(guò)去也稱為“過(guò)電壓保護(hù)器(SPD)”。其作用就是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線瞬時(shí)過(guò)壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入大地，使被保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊。

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常用防雷及過(guò)電壓器件

目前常用的防雷及過(guò)電壓防雷器件有放電管(充氣式放電管)、壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器等。

1、氣體放電管

氣體放電管為低靈敏度保護(hù)器件，其工作部分通常用玻璃封裝或陶瓷封裝，內(nèi)部為一對(duì)相互隔開的冷陰極電極，并充以一定壓力的惰性氣體(多數(shù)為氬氣)。為了提高放電管的觸發(fā)概率，在放電管內(nèi)還有助觸發(fā)劑，從結(jié)構(gòu)上分二極型或三極型。

常用過(guò)電壓放電器可以排放10KA ( 8/20μs)以下的瞬態(tài)電流。氣體放電管的反應(yīng)時(shí)間是指從外加電壓超過(guò)擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的時(shí)間，氣體放電管一般在μm微秒數(shù)量級(jí)。氣體放電管具有多種不同規(guī)格的直流擊穿電壓，其值取決于氣體的種類和電極間的距離等因素。

氣體放電管的電容量很小，一般≤1~5pF。它的工作原理是指當(dāng)加至氣體放電管兩電極間電壓達(dá)到電極擊穿電壓Ubr時(shí)，放電間隙立即點(diǎn)火放電，流通較大電流，而氣體放電管兩端電壓降到電極間電弧電壓，呈現(xiàn)低電阻。氣體放電管可在直流和交流條件下使用，所選用的直流放電電壓Udc≥Uo(Uo為線路正常工作的直流電壓);交流條件下使用時(shí)，Udc≥1.44Un(Un為線路正常工作的交流電壓有效值)。

氣體放電管的動(dòng)作時(shí)間在毫秒范圍內(nèi)，廣泛用于遠(yuǎn)程通訊領(lǐng)域，優(yōu)點(diǎn)是耐電流大而靜電容小。缺點(diǎn)是點(diǎn)火電壓高，且點(diǎn)火性能受到時(shí)間的限制。氣體放電管的另一缺點(diǎn)是可能出現(xiàn)電源續(xù)流問(wèn)題。氣體放電管點(diǎn)火以后，在電壓超過(guò)24V的低阻抗電路，尤其容易將原本只希望持續(xù)幾微秒后將氣體放電管引起的短路繼續(xù)保持下去，結(jié)果是氣體放電管在瞬間會(huì)爆裂。因此，在采用氣體放電管的過(guò)電壓保護(hù)線路里，必須預(yù)設(shè)一個(gè)斷路器，以便在極短的時(shí)間將電路切斷。

2、壓敏電阻

壓敏電阻是一種具有瞬態(tài)電壓仰制功能的限壓型保護(hù)器件。利用器件特別敏感的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩級(jí)間，壓敏電阻可以將電壓箝位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)?？梢杂脕?lái)代替瞬態(tài)仰制二極管、齊納二極管和電容器的組合。常用于過(guò)電壓保護(hù)的壓敏電阻有金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和碳化硅(SiC)兩類。壓敏電阻兩端正、反向都具有同二極管反向擊穿相類似的伏安特性，當(dāng)作用在其兩端的電壓達(dá)到一定數(shù)值后，電阻對(duì)電壓十分敏感。

壓敏電阻最顯著的特點(diǎn)是非線性特性好，電壓范圍很寬，可從幾伏到幾千伏，吸收電涌電流可從幾十安到幾千安培，反應(yīng)速度快，非線性指數(shù)大，無(wú)極性、無(wú)續(xù)流、使用壽命長(zhǎng)且成本低，多用于直流電源、交流電源、低頻信號(hào)線路和帶饋電線路等。在手機(jī)、手提電腦、PDA、數(shù)字相機(jī)、醫(yī)療儀器等設(shè)備上，表面貼裝壓敏電阻應(yīng)用最為廣泛。

壓敏電阻器在電路浪涌和瞬變防護(hù)時(shí)的應(yīng)用大致可分四種類型：

1)在電源線之間和大地之間連接壓敏電阻

該壓敏電阻的使用最具代表性。在電源線及長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)線遇到雷擊而使導(dǎo)線存在浪涌脈沖時(shí)對(duì)電子產(chǎn)品起到保護(hù)作用。通常線間接入的壓敏電阻對(duì)線間的感應(yīng)脈沖有效;而線與地間接入的壓敏電阻對(duì)傳輸線和大地間的感應(yīng)脈沖有效。若對(duì)線間連接與線地連接兩種形式進(jìn)行組合，則可對(duì)浪涌脈沖能起到更好的吸收作用。

2)在負(fù)荷中的保護(hù)

將壓敏電阻器并聯(lián)至感性負(fù)載兩端，主要用于對(duì)感性負(fù)載突然開閉引起的感應(yīng)脈沖進(jìn)行吸收，防止元件受到破壞。一般來(lái)講，將壓敏電阻并聯(lián)至感應(yīng)負(fù)載即可，如果再考慮電流種類和能量大小的不同，與R – C 串聯(lián)吸收電路合用更為理想。

3)接點(diǎn)間的連接保護(hù)

將保護(hù)壓敏電阻器并聯(lián)至被保護(hù)接點(diǎn)兩端，可防止感應(yīng)電荷將開關(guān)接點(diǎn)電弧燒壞的情況發(fā)生。

4)保護(hù)半導(dǎo)體器件

將壓敏電阻兩端并接至大功率的集電極、發(fā)射極兩端，或者可控硅陽(yáng)極和陰極兩端，以限制電壓低于被保護(hù)器件的耐壓等級(jí)，這對(duì)半導(dǎo)體是一種非常有效的保護(hù)。

在具體使用壓敏電阻器時(shí)，如果電器設(shè)備耐壓水平Vo較低，而浪涌能量又比較大，則可選擇壓敏電阻V1mA 較低、片徑較大的壓敏電阻器;如Vo較高可選擇壓敏電壓V1mA較高的壓敏電阻器，這樣既可以保護(hù)電器設(shè)備又能延長(zhǎng)壓敏電阻使用壽命。

另外壓敏電阻也可以與空氣放電管、TVS瞬態(tài)電壓抑制器組成綜合浪涌保護(hù)器，以得到最佳的保護(hù)效果。上述器件可組成二級(jí)保護(hù)或三級(jí)保護(hù)，氣體放電管一般放在線路輸入端，做為一級(jí)浪涌保護(hù)器件，承受大的浪涌電流;二級(jí)保護(hù)器件采用壓敏電阻，在μs(微妙)級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)更快地響應(yīng);對(duì)于高靈敏度的電子線路，可以增加第三級(jí)TVS保護(hù)，在ps(皮秒)級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)浪涌電壓產(chǎn)生響應(yīng)。