基于微電子設備防雷及電涌保護的常用設計方法

本文詳細介紹了防護雷電及過(guò)電壓的常用方法：分流、均壓、屏蔽、接地和保護。對構成浪涌保護器的內部器件如：放電管、壓敏電阻、TVS瞬態(tài)電壓抑制器、共模線(xiàn)圈等也有詳細介紹，且根據器件的各自特點(diǎn)設計理想的浪涌保護器。

微電子設備遭受雷電的危害

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

微電子設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(lèi)：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)電壓在帶電導體或中性線(xiàn)和大地之間產(chǎn)生）和差模（過(guò)電壓在帶電導體之間產(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)電壓保護機理

在電子設備防雷及過(guò)電壓保護上，通常采用分流、均壓、屏蔽、接地及保護等方式。這種電子設備是目前雷電防護中不可缺少的一種裝置，過(guò)去也稱(chēng)為“過(guò)電壓保護器（SPD）”。其作用就是把竄入電力線(xiàn)、信號傳輸線(xiàn)瞬時(shí)過(guò)壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入大地，使被保護設備或系統不受沖擊。

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器件，其工作部分通常用玻璃封裝或陶瓷封裝，內部為一對相互隔開(kāi)的冷陰極電極，并充以一定壓力的惰性氣體（多數為氬氣）。為了提高放電管的觸發(fā)概率，在放電管內還有助觸發(fā)劑，從結構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。氣體放電管的反應時(shí)間是指從外加電壓超過(guò)擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現象的時(shí)間，氣體放電管一般在μm微秒數量級。氣體放電管具有多種不同規格的直流擊穿電壓，其值取決于氣體的種類(lèi)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加至氣體放電管兩電極間電壓達到電極擊穿電壓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(xiàn)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(xiàn)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，廣泛用于遠程通訊領(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)是可能出現電源續流問(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幾微秒后將氣體放電管引起的短路繼續保持下去，結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)電壓保護線(xiàn)路里，必須預設一個(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器件。利用器件特別敏感的非線(xiàn)性特性，當過(guò)電壓出現在壓敏電阻的兩級間，壓敏電阻可以將電壓箝位到一個(gè)相對固定的電壓值，從而實(shí)現對后級電路的保護?？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)電壓保護的壓敏電阻有金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和碳化硅（SiC）兩類(lèi)。壓敏電阻兩端正、反向都具有同二極管反向擊穿相類(lèi)似的伏安特性，當作用在其兩端的電壓達到一定數值后，電阻對電壓十分敏感。

壓敏電阻最顯著(zhù)的特點(diǎn)是非線(xiàn)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，反應速度快，非線(xiàn)性指數大，無(wú)極性、無(wú)續流、使用壽命長(cháng)且成本低，多用于直流電源、交流電源、低頻信號線(xiàn)路和帶饋電線(xiàn)路等。在手機、手提電腦、PDA、數字相機、醫療儀器等設備上，表面貼裝壓敏電阻應用最為廣泛。

壓敏電阻器在電路浪涌和瞬變防護時(shí)的應用大致可分四種類(lèi)型：

1）在電源線(xiàn)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(xiàn)及長(cháng)距離傳輸的信號線(xiàn)遇到雷擊而使導線(xiàn)存在浪涌脈沖時(shí)對電子產(chǎn)品起到保護作用。通常線(xiàn)間接入的壓敏電阻對線(xiàn)間的感應脈沖有效；而線(xiàn)與地間接入的壓敏電阻對傳輸線(xiàn)和大地間的感應脈沖有效。若對線(xiàn)間連接與線(xiàn)地連接兩種形式進(jìn)行組合，則可對浪涌脈沖能起到更好的吸收作用。

2）在負荷中的保護

將壓敏電阻器并聯(lián)至感性負載兩端，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，防止元件受到破壞。一般來(lái)講，將壓敏電阻并聯(lián)至感應負載即可，如果再考慮電流種類(lèi)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

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

4）保護半導體器件

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器件的耐壓等級，這對半導體是一種非常有效的保護。

在具體使用壓敏電阻器時(shí)，如果電器設備耐壓水平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，這樣既可以保護電器設備又能延長(cháng)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器，以得到最佳的保護效果。上述器件可組成二級保護或三級保護，氣體放電管一般放在線(xiàn)路輸入端，做為一級浪涌保護器件，承受大的浪涌電流；二級保護器件采用壓敏電阻，在μs（微妙）級時(shí)間范圍內更快地響應；對于高靈敏度的電子線(xiàn)路，可以增加第三級TVS保護，在ps（皮秒）級時(shí)間范圍內對浪涌電壓產(chǎn)生響應。