電子產品的瞬變和浪涌防護

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

關鍵詞：瞬變 浪涌 防護器件

1 防護的必要性

眾所周知，電子產品在使用中經常會遇到意外的電壓瞬奕和浪涌，從而導致電子產品的損壞，損壞的原因是電子產品中的半導體器件（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處不在，電網、雷擊、爆破，就連人在地毯上行走都會產生上萬伏的靜電感應電壓，這些，都是電子產品的隱形致命殺手。因此，為了提高電子產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，整機和系統中的每個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，應以大地為參考電平，接地線（面）必須能流過很大的電流，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防護器件旁路到子系統地和大地，從而讓進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過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低以允許大電流通過，將將電壓箝制在預定水平，從而有效地保護電子產品中的精密元器件免受損壞。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈功率，并把電壓箝制在預定水平，雙向TVS適用于交流電路。TVS的最大優點是箝位系數小，所謂箝位系數是指AVS上流過的電流在最大時的端電壓與流過的電流為最小時的端電壓的比值，箝位系數越小，抑制瞬變電壓的效果越好，TVS器件的其它優點是體積小、響應速度快（小于1ns）、每次經受瞬變電壓后其性能不會下降和可靠性高等。缺點是電容大、耐電流量小。現在，國外TVS器件已經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或無引線的塑封形式，典型的有美國General Instrument公司生產400W、600W、1500W無經線扁平塑封，其400W的工作電壓為5.5～162V,型號為TSMA6.8～TSMA200，外形為SMA/D0214AC；600W的工作電壓為5.5～162V，型號為TSMB6.8～TSMB200，外形為SMB/D0214AA；1500W工作電壓5.5～162V，型號為TSMC6.8～TSMC200，外形為SMC/D0214AB。該公司也生產無引線圓柱形產品，型號為TGL41-6.8～TGL41-200，外形為MELF GL41。該公司還生產5000W的TVS，其工作電壓為5.5～110V，型號為5KP5.0～5KP110,外形為P600。TVS的另一發展方向是開發低電壓產品，目前正在開發的產品電壓范圍為2.8～3.8V，以滿足低壓微處理器和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載保護，用一個電平觸發SCR的控制柵極將輸出短路而中斷供電，響應時間約100μs，這對電壓敏感的器件有可能造成損壞，它的優點是耐電流量大，缺點是點火電壓易變化。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組成的復合器件。當浪涌電壓超過轉折的電壓VBO時，器件被導通，這時它呈現一般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）。當浪涌流過后，電流慢慢減少到維持電流（IH）水平以下，此時器件關閉，工作點又回到原來位置，被保護電路流過正常電壓。這種器件有如下特點：

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

（2）該器件經反復浪涌后其流放電開啟電壓基本上保持不變。

（3）浪涌電流增加時，該器件的直流放電開啟電壓基本保持不變。

（4）該器件經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點，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CSSPD（KP4R20）和四個整流二極管（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，它的優點是耐電流量大和靜電容量小，缺點是點火電壓高，在直流電壓下不能恢復到截止狀態，因面不能用于防低電壓電路，經多次電壓瞬變和浪涌后其性能會下降；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電壓折非線性來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，非線性指數大、無極性、無續流、壽命長、成本低，缺點是箝位系數小，呈負溫度系數，經多次電壓瞬變和浪涌后其性能會下降，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，這類工作系統一般均需防止天線近處（或人體接觸）的解電和浪涌對整機所造成的損壞。

●電話系統。

●通信線路。

●數據傳輸線路。

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

●無線電接收機，如汽車收音機、收錄機、移動天線等。

●高可靠電源。

●電動機調速電路。

3.1 壓敏電阻的選用

選用壓敏電阻器前，應先了解以下相關技術參數：

●標稱電壓（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，壓敏電阻器中流過的電流值。

●等級電壓是指壓敏電阻中通過8/20等級電流脈沖時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）波形時的峰值電流。

●浪涌環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，壓敏電阻器常常與被保護器件或裝置并聯使用，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電壓，即使在電源被動情況最壞時，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電壓值即為選用值。對于過壓保護方面的應用，壓敏電壓值應大于實際電路的電壓值，一般應使用下式進行選擇：

VmA=av/bc

式中：a為電路電壓波動系數，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時為有效值）；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實際數值是直流工作電壓的1.5倍，在交流狀態下還要考慮峰值，因此計算結果應擴大1.414倍。另外，選用時還必須注意：

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

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

b.通流量的選取

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

c.應用

圖1所示是采用壓敏電壓器進行電路浪涌和瞬變防護時的電路連接圖。對于壓敏電阻的應用連接，大致可分類四種類型：

第一種類型是電源線之間或電源線和大地之間的連接，如圖1（a）所示。作為壓敏電阻器，最具有代表性的使用場合是在電源線及長距離傳輸的信號線遇到雷擊而使導線存在浪涌脈沖等情況下對電子產品起保護作用。一般在線間接入壓敏電阻器可對線間的感應脈沖有效，而在線與地間接入壓敏電阻則對傳輸線和大地間的感應脈沖有效。若進一步將線間連接與線地連接兩種形式組合起來，則可對浪涌脈沖有更好的吸收作用。

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

第三種類型是接點間的連接，見圖1（c）。這種連接主要是為了防止感應電荷開關接點被電弧燒環的情況發生，一般與接點并聯接入壓敏電阻器即可。

第四種類型主要用于半導體器件的保護連接，見圖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

采用氣體放電管進行保護時，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，也就是要根據線路的特點來選擇氣體放電管，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為最大鉗位電壓。最大鉗位電壓與擊穿電壓之比稱為鉗位系數。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，在規定的漏電流下，器件兩端的電壓值。通常取：

VRWM=(0.8～0.9)VBR

在這個電壓下，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，在規定的脈沖時間內器件所允許通過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，而且還和脈沖波形、脈沖持續時間及環境溫度有關，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決定，電容的大小會影響TVS器件的響應時間。

●漏電流IR：當最大反向工作電壓施加到TVS上時產生的一個恒定電流稱為最大漏電流。當TVS用于高阻抗電路時，這個漏電流是一個重要的參數。

在瞬變和浪涌防護電路中使用TVS時，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浪涌功率。

圖2給出了幾個TVS管的應用防護器件的連接方法。

TVS在美國應用十分廣泛，特點是在軍事電子設備中更是如此。由于TVS進入我國的時間不長，在國內的應用還處于推廣階段。現在，由于新的工藝技術和材料的使用，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大家庭會越來越興旺，它將給電子產品帶來一片潔凈的天空。