電子產(chǎn)品的瞬變和浪涌防護

摘要：電子產(chǎn)品在使用中的電壓瞬變和浪涌將導致電子產(chǎn)品的損壞，因此，電壓瞬變和浪涌防護問(wèn)題已經(jīng)得到越來(lái)越多設計者的重視。文章在指出防護的必要性的同時(shí)，還介紹了瞬變和浪涌防護器件的分類(lèi)及特性，并重點(diǎn)介紹了三種電子產(chǎn)品中瞬變和浪涌防護器件的選擇和應用方法。

關(guān)鍵詞：瞬變 浪涌 防護器件

1 防護的必要性

眾所周知，電子產(chǎn)品在使用中經(jīng)常會(huì )遇到意外的電壓瞬奕和浪涌，從而導致電子產(chǎn)品的損壞，損壞的原因是電子產(chǎn)品中的半導體器件（包括二極管、晶體管、可控硅和集成電路等）被燒毀或擊穿。據估計，電子產(chǎn)品的故障有75%是由于瞬變和浪涌選拔造成的。電壓的瞬變和浪涌無(wú)處不在，電網(wǎng)、雷擊、爆破，就連人在地毯上行走都會(huì )產(chǎn)生上萬(wàn)伏的靜電感應電壓，這些，都是電子產(chǎn)品的隱形致命殺手。因此，為了提高電子產(chǎn)品的可靠性和人體自射的安全性，必須對電壓瞬變和浪涌采取防護措施。其方法之一是使整機和系統接地，整機和系統的地（公共端）和大地應分開(kāi)，整機和系統中的每個(gè)子系統均應有獨立的公共端，在子系統之間需傳輸數據或信號時(shí)，應以大地為參考電平，接地線(xiàn)（面）必須能流過(guò)很大的電流，如幾百安培。第二種防護方法是在整機和系統中的關(guān)鍵部位（如電腦的顯示器等）采用電壓瞬變和浪涌的防護器件，使電壓瞬變和浪涌通過(guò)防護器件旁路到子系統地和大地，從而讓進(jìn)入整機和系統中的瞬變電壓和浪涌幅度大大降低。第三種防護方法是對重要和昂貴的整機和系統采用幾個(gè)電壓瞬變和浪涌防護器件組合形式，以構成多級防護電路。

2 防護器件的分類(lèi)及特性

2.1 二極管型防護器件

二極管型防護器件是利用硅PN結正向壓降（VF）和反向雪崩擊穿電壓（Vz）特性制成的，如瞬變電壓抑制二極管（TVS）。它有兩種形式：一是齊納型單向雪崩擊穿，二是雙向的硅壓敏電阻。TVS器件在規定的反向應用條件睛，在承受到高能量的瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低以允許大電流通過(guò)，將將電壓箝制在預定水平，從而有效地保護電子產(chǎn)品中的精密元器件免受損壞。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈功率，并把電壓箝制在預定水平，雙向TVS適用于交流電路。TVS的最大優(yōu)點(diǎn)是箝位系數小，所謂箝位系數是指AVS上流過(guò)的電流在最大時(shí)的端電壓與流過(guò)的電流為最小時(shí)的端電壓的比值，箝位系數越小，抑制瞬變電壓的效果越好，TVS器件的其它優(yōu)點(diǎn)是體積小、響應速度快（小于1ns）、每次經(jīng)受瞬變電壓后其性能不會(huì )下降和可靠性高等。缺點(diǎn)是電容大、耐電流量小?，F在，國外TVS器件已經(jīng)采用氣密生附殼封裝，外形為DO-41，而一般的民用器件則采用有引線(xiàn)或無(wú)引線(xiàn)的塑封形式，典型的有美國General Instrument公司生產(chǎn)400W、600W、1500W無(wú)經(jīng)線(xiàn)扁平塑封，其400W的工作電壓為5.5～162V,型號為T(mén)SMA6.8～TSMA200，外形為SMA/D0214AC；600W的工作電壓為5.5～162V，型號為T(mén)SMB6.8～TSMB200，外形為SMB/D0214AA；1500W工作電壓5.5～162V，型號為T(mén)SMC6.8～TSMC200，外形為SMC/D0214AB。該公司也生產(chǎn)無(wú)引線(xiàn)圓柱形產(chǎn)品，型號為T(mén)GL41-6.8～TGL41-200，外形為MELF GL41。該公司還生產(chǎn)5000W的TVS，其工作電壓為5.5～110V，型號為5KP5.0～5KP110,外形為P600。TVS的另一發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)低電壓產(chǎn)品，目前正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品電壓范圍為2.8～3.8V，以滿(mǎn)足低壓微處理器和IC的需要。

2.2 晶閘管型防護器件

晶閘管型防護器件已有兩種：第一種是控制柵極型雙向三端器件，如SCR、TRLAO等。因為大多數電源電路的輸出端都有電壓過(guò)載保護，用一個(gè)電平觸發(fā)SCR的控制柵極將輸出短路而中斷供電，響應時(shí)間約100μs，這對電壓敏感的器件有可能造成損壞，它的優(yōu)點(diǎn)是耐電流量大，缺點(diǎn)是點(diǎn)火電壓易變化。第二種是控制維持電流型雙向兩端器件，如CSSPD（Curren type Silicon Surge Protective Device），它由日本新電元公司于1998年10月研制成功。由pnpnp五層組成，其結構是在單芯片上逆向并聯(lián)組成的復合器件。當浪涌電壓超過(guò)轉折的電壓VBO時(shí)，器件被導通，這時(shí)它呈現一般PN結二極管的正向電壓降（VF）和等效的導通電壓（VT）特性，被保護電路上僅施加相當于導通電壓的電壓值（只有幾伏）。當浪涌流過(guò)后，電流慢慢減少到維持電流（IH）水平以下，此時(shí)器件關(guān)閉，工作點(diǎn)又回到原來(lái)位置，被保護電路流過(guò)正常電壓。這種器件有如下特點(diǎn)：

（1）器件的直流放電開(kāi)啟電壓（Vs）與響應時(shí)間（s）的關(guān)鍵基本上不隨涌電壓上升率的增加而增加。

（2）該器件經(jīng)反復浪涌后其流放電開(kāi)啟電壓基本上保持不變。

（3）浪涌電流增加時(shí)，該器件的直流放電開(kāi)啟電壓基本保持不變。

（4）該器件經(jīng)反復浪涌后其轉折電壓基本保持不變。

另外，該器件還具有響應速率快、不需多級防護電路、耐電流量大、靜電容量小的可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于防護雷電浪涌。日本新電元公司已推出多種元引線(xiàn)CSSPD，如KP15N系列。此外，該公司還推出一種四端橋二極管，它內含一個(gè)CSSPD（KP4R20）和四個(gè)整流二極管（SIWB60），型號為KW4R，特別適用于通信電路的防護和電源保護。

2.3 其它防護元件

其它防護元件主要有兩種：其一是氣體放電管，它的優(yōu)點(diǎn)是耐電流量大和靜電容量小，缺點(diǎn)是點(diǎn)火電壓高，在直流電壓下不能恢復到截止狀態(tài)，因面不能用于防低電壓電路，經(jīng)多次電壓瞬變和浪涌后其性能會(huì )下降；其二是金屬氧化物壓敏電壓，如ZnO壓敏電陰，它是以氧化鋅為主要原料制造的半導體陶瓷元件，利用ZnO電壓折非線(xiàn)性來(lái)吸收瞬變電壓和浪涌。這種壓敏電壓器件的電壓范圍很寬，可從幾伏到幾千伏，吸收浪涌電流可從幾十到幾千安培，它反應速度快，非線(xiàn)性指數大、無(wú)極性、無(wú)續流、壽命長(cháng)、成本低，缺點(diǎn)是箝位系數小，呈負溫度系數，經(jīng)多次電壓瞬變和浪涌后其性能會(huì )下降，因而不適用IC，具使用溫度范圍低，不能采用氣密性封裝，其可靠性也不高等。

3 瞬變和浪涌防護器件的應用

防護電壓瞬變和浪涌的半導體器件可用于各種整機和系統，以防止各種電壓瞬變和浪涌對整機和系統的干擾和損壞。下列應用領(lǐng)域一般均需用防護電壓瞬變和浪涌的半導體器件：

●各種中繼站，如衛星中繼站或一般TV轉播站，這類(lèi)工作系統一般均需防止天線(xiàn)近處（或人體接觸）的解電和浪涌對整機所造成的損壞。

●電話(huà)系統。

●通信線(xiàn)路。

●數據傳輸線(xiàn)路。

●陰極射線(xiàn)管，如電腦顯示器、TV顯像管等，這類(lèi)器件一般應防止瞬變電壓和浪涌損壞堆動(dòng)級的IC和大功率三極管。

●無(wú)線(xiàn)電接收機，如汽車(chē)收音機、收錄機、移動(dòng)天線(xiàn)等。

●高可靠電源。

●電動(dòng)機調速電路。

3.1 壓敏電阻的選用

選用壓敏電阻器前，應先了解以下相關(guān)技術(shù)參數：

●標稱(chēng)電壓（即壓敏電壓）是指在規定的溫度和直流電流下，壓敏電阻器兩端的電壓值。

●漏電流：指在25℃條件下，當施加最大連續直流電壓時(shí)，壓敏電阻器中流過(guò)的電流值。

●等級電壓是指壓敏電阻中通過(guò)8/20等級電流脈沖時(shí)在其兩端呈現的電壓峰值。

●通流量是表示施加規定的脈沖電流（8/20μs）波形時(shí)的峰值電流。

●浪涌環(huán)境參數包括最大浪涌電流Ipm(或最大浪涌電壓Vpm和浪涌源阻抗Zo)、浪涌脈沖寬度Tt、相鄰兩次浪涌的最小時(shí)間間隔Tm以及在壓敏電阻器的預定工作壽命期內，浪涌脈沖的總次數N等。

a.壓敏電壓的選取

一般地說(shuō)，壓敏電阻器常常與被保護器件或裝置并聯(lián)使用，在正常情況下，壓敏電阻電阻器兩端的直流或交流電壓應低于標稱(chēng)電壓，即使在電源被動(dòng)情況最壞時(shí)，也不應高于額定值中選擇的最大連續工作電壓，該最大連續工作電壓值所對應的標稱(chēng)電壓值即為選用值。對于過(guò)壓保護方面的應用，壓敏電壓值應大于實(shí)際電路的電壓值，一般應使用下式進(jìn)行選擇：

VmA=av/bc

式中：a為電路電壓波動(dòng)系數，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時(shí)為有效值）；b為壓敏電壓誤差，一般取0.85；c為元件的老化系數，一般取0.9；

這樣計算得到的VmA實(shí)際數值是直流工作電壓的1.5倍，在交流狀態(tài)下還要考慮峰值，因此計算結果應擴大1.414倍。另外，選用時(shí)還必須注意：

（1）必須保證在電壓波動(dòng)最大時(shí)，連續工作電壓也不會(huì )超過(guò)最大允許值，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命；

（2）在電源線(xiàn)與大地間使用壓敏電壓時(shí)，有時(shí)由于接地不良而使線(xiàn)與地之間電壓上升，所以通常采用比線(xiàn)與線(xiàn)間使用場(chǎng)合更高標稱(chēng)電壓的壓敏電阻器。

b.通流量的選取

通常產(chǎn)品給出的通流量是按產(chǎn)品標準給定的波形、沖擊次數和間隙時(shí)間進(jìn)行脈沖試驗時(shí)產(chǎn)品所能承受的最大電流值。而產(chǎn)品所能承受的沖擊數是波形、幅值和間隙時(shí)間的函數，當電流波形幅值降低50%時(shí)沖擊次數可增加一倍，所以在實(shí)際應用中，壓敏電阻所吸收的浪涌電流應小于產(chǎn)品的最大通流量。

c.應用

圖1所示是采用壓敏電壓器進(jìn)行電路浪涌和瞬變防護時(shí)的電路連接圖。對于壓敏電阻的應用連接，大致可分類(lèi)四種類(lèi)型：

第一種類(lèi)型是電源線(xiàn)之間或電源線(xiàn)和大地之間的連接，如圖1（a）所示。作為壓敏電阻器，最具有代表性的使用場(chǎng)合是在電源線(xiàn)及長(cháng)距離傳輸的信號線(xiàn)遇到雷擊而使導線(xiàn)存在浪涌脈沖等情況下對電子產(chǎn)品起保護作用。一般在線(xiàn)間接入壓敏電阻器可對線(xiàn)間的感應脈沖有效，而在線(xiàn)與地間接入壓敏電阻則對傳輸線(xiàn)和大地間的感應脈沖有效。若進(jìn)一步將線(xiàn)間連接與線(xiàn)地連接兩種形式組合起來(lái)，則可對浪涌脈沖有更好的吸收作用。

第二種類(lèi)型為負荷中的連接，見(jiàn)圖1（b）。它主要用于對感性負載突然開(kāi)閉引起的感應脈沖進(jìn)行吸收，以防止元件受到破壞。一般來(lái)說(shuō)，只要并聯(lián)在感性負載上就可以上，但根據電流種類(lèi)和能量大小的不同，可以考慮與R-C串聯(lián)吸收電路合用。

第三種類(lèi)型是接點(diǎn)間的連接，見(jiàn)圖1（c）。這種連接主要是為了防止感應電荷開(kāi)關(guān)接點(diǎn)被電弧燒環(huán)的情況發(fā)生，一般與接點(diǎn)并聯(lián)接入壓敏電阻器即可。

第四種類(lèi)型主要用于半導體器件的保護連接，見(jiàn)圖1（d）。這種連接方式主要用于可控硅、大功率三極管等半導體器件，一般采用與保護器件并聯(lián)的方式，以限制電壓低于被保護器件的耐壓等級，這對半導體器件是一種有效的保護。

3.2 氣體放電管的選用

采用氣體放電管進(jìn)行保護時(shí)，一定要將放電管安裝在被保護器件的引入端，將其上端接在線(xiàn)路的入口處。

氣體放電管的伏秒特性與被保護設備的伏秒特性也要正確配合，也就是要根據線(xiàn)路的特點(diǎn)來(lái)選擇氣體放電管，其放電電壓一定要小于被保護設備的電壓，即放電管的沖擊穿電壓，在任何時(shí)候都要比被保護設備的沖擊放電電壓低，這樣才能有效地保護電子設備。

放電管的伏安特性與被保護的電氣制備的伏安特性也要配合正確，即放電管電離擊穿以后，在放電管上的電壓降（也稱(chēng)殘余電壓）一定要比被保護的設備的耐壓低。

3.3 TVS管的選用

選用TVS器件前，應對它的參數有所了解，這些參數主要有：

●擊穿電壓VBR：指器件在發(fā)生擊穿的區域內，在規定的試驗電流條件下所測得的器件兩端的電壓值。

●最大錯位電壓VCMAX：在峰值脈沖電流下測得的最大電壓值稱(chēng)為最大鉗位電壓。最大鉗位電壓與擊穿電壓之比稱(chēng)為鉗位系數。一般鉗位系數取值為1.33（在總的額定功率下）或1.20（在50%的額定功率下）。

●最大反向工作電壓VRWM：該電壓是指器件反向工作時(shí)，在規定的漏電流下，器件兩端的電壓值。通常?。?/P>

VRWM=(0.8～0.9)VBR

在這個(gè)電壓下，器件的功率消耗很小。

●最大反向峰值脈沖電流IPP：該參數是指在反向工作條件下，在規定的脈沖時(shí)間內器件所允許通過(guò)的最大峰值脈沖電流。

●反向峰值脈沖功紡PPR（TVS的浪涌能力）：TVS的反向峰值脈沖功紡PPR不僅與反向峰值IP和最大鉗位電壓VCMAX有關(guān)，而且還和脈沖波形、脈沖持續時(shí)間及環(huán)境溫度有關(guān)，即：

PPR=K1KvcIp(t)

式中，K為功率系數、K1為功率的溫度系數。

●電容Cpp：TVS的電容大小由硅片的面積和擊穿電壓來(lái)決定，電容的大小會(huì )影響TVS器件的響應時(shí)間。

●漏電流IR：當最大反向工作電壓施加到TVS上時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)恒定電流稱(chēng)為最大漏電流。當TVS用于高阻抗電路時(shí)，這個(gè)漏電流是一個(gè)重要的參數。

在瞬變和浪涌防護電路中使用TVS時(shí)，一般應該遵循以下選擇原則：

（1）最大嵌位電壓VCMAX應不大于電流的最大允許安全電壓。

（2）最大反向工作電壓VRWM應不低于電路的最大工作電壓，一般可選VRWM等于或略高于電路的工作電壓。

（3）額定的最大脈沖功率必須大于電路中出現的最大瞬態(tài)浪涌功率。

圖2給出了幾個(gè)TVS管的應用防護器件的連接方法。

TVS在美國應用十分廣泛，特點(diǎn)是在軍事電子設備中更是如此。由于TVS進(jìn)入我國的時(shí)間不長(cháng)，在國內的應用還處于推廣階段?，F在，由于新的工藝技術(shù)和材料的使用，出現了數量更多、性能更好、功能更強的浪涌和瞬變防護器件。如Harris公司生產(chǎn)的ML、MLA、MLE、MLN系列多層瞬變電壓抑制器件，該器件的性能超過(guò)硅瞬變電壓抑制器件及單層金屬氧化物壓敏電阻器件兩個(gè)數量級以上；并具有多種外殼尺寸，其電容數值范圍也很寬，設計人員可以有多種選擇，因而使得對于瞬變和浪涌的防護可以做得更好；另外，它還具有比其它防護器件更快的響應速度。我們相信，瞬變和浪涌防護這個(gè)大家庭會(huì )越來(lái)越興旺，它將給電子產(chǎn)品帶來(lái)一片潔凈的天空。