基于微電子設(shè)備防雷及電涌保護的常用設(shè)計方法

本文詳細介紹了防護雷電及過電壓的常用方法：分流、均壓、屏蔽、接地和保護。對構(gòu)成浪涌保護器的內(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介紹，且根據(jù)器件的各自特點設(shè)計理想的浪涌保護器。

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)生的過電壓對設(shè)備造成失效、損壞的實例屢見不鮮，由此造成了巨大的經(jīng)濟損失。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)備停機所造成的損失是無法彌補的。對微電子設(shè)備采取行之有效的保護措施，實現(xiàn)對集成度越高而耐受過電壓能力越來越低的電子系統(tǒng)（設(shè)備）的可靠防護，盡量減小其遭受雷擊或沖擊過電壓的干擾和損壞，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)中過電壓有四類：雷電引起的過電壓、靜電放電、操作過電壓以及工頻過電壓。過電壓通常以共模（過電壓在帶電導(dǎo)體或中性線和大地之間產(chǎn)生）和差模（過電壓在帶電導(dǎo)體之間產(chǎn)生）兩種干擾方式干擾低壓電網(wǎng)，其中雷電過電壓破壞性最大。

防雷及過電壓保護機理

在電子設(shè)備防雷及過電壓保護上，通常采用分流、均壓、屏蔽、接地及保護等方式。這種電子設(shè)備是目前雷電防護中不可缺少的一種裝置，過去也稱為“過電壓保護器（SPD）”。其作用就是把竄入電力線、信號傳輸線瞬時過壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)姶蟮睦纂娏餍沽魅氪蟮?，使被保護設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊。

常用防雷及過電壓器件

目前常用的防雷及過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(nèi)部為一對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)時間是指從外加電壓超過擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的時間，氣體放電管一般在μm微秒數(shù)量級。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到電極擊穿電壓Ubr時，放電間隙立即點火放電，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，Udc≥1.44Un（Un為線路正常工作的交流電壓有效值）。

氣體放電管的動作時間在毫秒范圍內(nèi)，廣泛用于遠程通訊領(lǐng)域，優(yōu)點是耐電流大而靜電容小。缺點是點火電壓高，且點火性能受到時間的限制。氣體放電管的另一缺點是可能出現(xiàn)電源續(xù)流問題。氣體放電管點火以后，在電壓超過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爆裂。因此，在采用氣體放電管的過電壓保護線路里，必須預(yù)設(shè)一個斷路器，以便在極短的時間將電路切斷。

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性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩級間，壓敏電阻可以將電壓箝位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。可以用來代替瞬態(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。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到一定數(shù)值后，電阻對電壓十分敏感。

壓敏電阻最顯著的特點是非線性特性好，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，無極性、無續(xù)流、使用壽命長且成本低，多用于直流電源、交流電源、低頻信號線路和帶饋電線路等。在手機、手提電腦、PDA、數(shù)字相機、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時的應(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。在電源線及長距離傳輸?shù)男盘柧€遇到雷擊而使導(dǎo)線存在浪涌脈沖時對電子產(chǎn)品起到保護作用。通常線間接入的壓敏電阻對線間的感應(yīng)脈沖有效；而線與地間接入的壓敏電阻對傳輸線和大地間的感應(yīng)脈沖有效。若對線間連接與線地連接兩種形式進行組合，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閉引起的感應(yīng)脈沖進行吸收，防止元件受到破壞。一般來講，將壓敏電阻并聯(lián)至感應(yīng)負載即可，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）接點間的連接保護

將保護壓敏電阻器并聯(lián)至被保護接點兩端，可防止感應(yīng)電荷將開關(guān)接點電弧燒壞的情況發(fā)生。

4）保護半導(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(dǎo)體是一種非常有效的保護。

在具體使用壓敏電阻器時，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，這樣既可以保護電器設(shè)備又能延長壓敏電阻使用壽命。

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）級時間范圍內(nèi)更快地響應(yīng)；對于高靈敏度的電子線路，可以增加第三級TVS保護，在ps（皮秒）級時間范圍內(nèi)對浪涌電壓產(chǎn)生響應(yīng)。