EMC教程系列之瞬態(tài)保護

瞬變（電壓或電流的瞬時(shí)峰值）會(huì )破壞或損壞連接到信號或電源線(xiàn)的產(chǎn)品。由閃電、靜電放電和因開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或短路而電流突然變化的電路耦合的常見(jiàn)瞬態(tài)能量源。

瞬態(tài)保護裝置試圖利用瞬態(tài)波形與預期信號或功率波形之間的差異，重新引導這些瞬態(tài)中的能量。最常見(jiàn)的瞬態(tài)保護方案限制其所保護電路的電壓幅值、電流幅值或過(guò)渡時(shí)間。

圖1說(shuō)明了如何使用限壓瞬態(tài)保護裝置來(lái)保護安裝在印刷電路板上的VLSI元件的輸入。在正常信號或電源電壓下，該器件具有高阻抗，并且不會(huì )顯著(zhù)影響電路的工作。然而，如果裝置上的電壓超過(guò)一個(gè)閾值，其端子上的阻抗會(huì )突然減小，使來(lái)自被保護部件的分流電流突然減小。

圖1.印刷電路板上的電壓限制瞬態(tài)保護。

二極管可能是低壓應用中最常見(jiàn)的保護裝置。一個(gè)無(wú)偏二極管通常有一個(gè)高阻抗時(shí)，其兩端的電位低于約0.5伏。在較高的電壓下，阻抗迅速下降。二極管可以串聯(lián)組合以達到更高的閾值電壓，或者可以使用反向偏置齊納二極管。一般來(lái)說(shuō)，二極管用于要求閾值電壓在0.5到幾伏之間的應用中。

二極管是電壓限制設備，這意味著(zhù)它們只傳導足夠的電流來(lái)保持電壓在閾值水平。它們的反應速度相對較快，足以保護敏感的半導體輸入。然而，二極管通常不能在失效前消耗大量能量。發(fā)生故障的二極管可能看起來(lái)像開(kāi)路或短路，但更有可能發(fā)生故障短路。

變阻器是另一種電壓限制裝置，通常由金屬氧化物粉末制成。變阻器的閾值電壓可以設計為0.5伏到10伏。它們通常比二極管消耗更多的能量，但也可能有更多的寄生電容，這可能使它們不適合用于高速信號應用。和二極管一樣，它們更容易短路而不是開(kāi)路。

晶閘管是像二極管一樣的半導體器件。然而，它們通常比二極管消耗更多的能量，并且可以在各種閾值電壓下被發(fā)現。與二極管和變阻器不同，晶閘管是撬棍這意味著(zhù)，當超過(guò)閾值電壓時(shí)，它們會(huì )有效地“短路”，而它們之間的電壓降到接近零。

家庭早期電話(huà)設備的防雷裝置由兩個(gè)尖頭的金屬片組成。當這些金屬片上的電壓超過(guò)閾值時(shí)，金屬片之間的空氣就會(huì )破裂形成電弧。對于大電壓來(lái)說(shuō)，這仍然是一種有效的瞬態(tài)保護方案，但是現在的設備是封閉在一個(gè)玻璃或塑料管中的，這種氣體比空氣更容易分解。

氣體放電管能夠在不損壞的情況下耗散相對較大的能量。他們也有相對較低的電容，所以他們不太可能扭曲快速或高頻信號。它們通常設計為10到100伏的閾值電壓，是像晶閘管一樣的撬桿裝置。

氣體放電管很可能無(wú)法打開(kāi)，因此很難判斷它們是否正常工作。但是，發(fā)生故障的放電管不會(huì )干擾所連接設備的正常運行。霓虹燈的行為類(lèi)似于氣體放電管，可以作為一種廉價(jià)的方式提供初級瞬態(tài)保護（閾值約為70伏）。

保險絲、斷路器和熱保護裝置等裝置是由電流而不是電壓觸發(fā)的。這些裝置與通向被保護設備的電源線(xiàn)或信號線(xiàn)串聯(lián)。他們通常有一個(gè)非常低的阻抗，但當過(guò)多的電流流過(guò)他們時(shí)，就會(huì )斷開(kāi)（變成高阻抗）。一旦它們被觸發(fā)，電流限制裝置阻止電力到達被保護的設備，而不必以熱量的形式散失功率。因此，他們所能處理的能量（或能量）幾乎沒(méi)有限制。然而，限流裝置通常響應速度不夠快，無(wú)法保護設備免受雷電或靜電放電產(chǎn)生的快速瞬變的影響。

電壓和電流限制裝置需要有限的時(shí)間來(lái)響應。如果瞬變很快，則可能在保護裝置有機會(huì )運行之前發(fā)生損壞。通常，最好的瞬態(tài)保護是一個(gè)簡(jiǎn)單的電容器或鐵氧體磁珠，用來(lái)減緩由于感應瞬變引起的電壓或電流的任何變化。

圖2說(shuō)明了VLSI元件敏感輸入上的電容器如何減緩與任何瞬態(tài)相關(guān)的上升時(shí)間。通常，集成電路輸入會(huì )對非?？斓乃沧冏龀鲰憫?，即使這不是設備正常運行所必需的。例如，微處理器上的復位輸入通常不會(huì )頻繁切換。當它被切換時(shí)，通常切換發(fā)生在微秒或毫秒內并不重要。然而，這些輸入通常對納秒量級的瞬態(tài)響應。通過(guò)增加并聯(lián)電容器來(lái)減緩這些輸入，可以消除由于非?？斓乃沧儯ɡ?，由靜電放電引起的）引起的問(wèn)題，而不會(huì )對設備的運行產(chǎn)生任何不利影響。

圖2.使用濾波電容來(lái)減緩快速輸入的響應。

電容器與其他瞬變保護裝置相比有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它們相對較小，價(jià)格低廉，并且它們的線(xiàn)性行為相對容易預測和建模。與它們保護的設備相比，它們的儲能容量相對較大，因此如果尺寸合適，它們不太可能發(fā)生故障。雖然電容器在暴露于高于其額定值的電壓下通常表現為短路，但在這些條件下其行為并不可靠；因此，電容器不應作為限壓暫態(tài)保護裝置使用。

鐵氧體磁珠或電阻器可用于為低阻抗（例如高電容）輸入提供過(guò)渡時(shí)間限制瞬態(tài)保護。鐵氧體磁珠的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有直流電壓下降。然而，當使用鐵氧體磁珠時(shí)，必須確保信號或電源電流不會(huì )飽和鐵氧體材料。