EMC教程系列之瞬態(tài)保護

瞬變（電壓或電流的瞬時峰值）會破壞或損壞連接到信號或電源線的產(chǎn)品。由閃電、靜電放電和因開關斷開或短路而電流突然變化的電路耦合的常見瞬態(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、電流幅值或過渡時間。

圖1說明了如何使用限壓瞬態(tài)保護裝置來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，并且不會顯著影響電路的工作。然而，如果裝置上的電壓超過一個閾值，其端子上的阻抗會突然減小，使來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的保護裝置。一個無偏二極管通常有一個高阻抗時，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。一般來說，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，這意味著它們只傳導足夠的電流來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像開路或短路，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(xiàn)。與二極管和變阻器不同，晶閘管是撬棍這意味著，當超過閾值電壓時，它們會有效地“短路”，而它們之間的電壓降到接近零。

家庭早期電話設備的防雷裝置由兩個尖頭的金屬片組成。當這些金屬片上的電壓超過閾值時，金屬片之間的空氣就會破裂形成電弧。對于大電壓來說，這仍然是一種有效的瞬態(tài)保護方案，但是現(xiàn)在的設備是封閉在一個玻璃或塑料管中的，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法打開，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干擾所連接設備的正常運行。霓虹燈的行為類似于氣體放電管，可以作為一種廉價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或信號線串聯(lián)。他們通常有一個非常低的阻抗，但當過多的電流流過他們時，就會斷開（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）幾乎沒有限制。然而，限流裝置通常響應速度不夠快，無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間來響應。如果瞬變很快，則可能在保護裝置有機會運行之前發(fā)生損壞。通常，最好的瞬態(tài)保護是一個簡單的電容器或鐵氧體磁珠，用來減緩由于感應瞬變引起的電壓或電流的任何變化。

圖2說明了VLSI元件敏感輸入上的電容器如何減緩與任何瞬態(tài)相關的上升時間。通常，集成電路輸入會對非常快的瞬變做出響應，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頻繁切換。當它被切換時，通常切換發(fā)生在微秒或毫秒內(nèi)并不重要。然而，這些輸入通常對納秒量級的瞬態(tài)響應。通過增加并聯(lián)電容器來減緩這些輸入，可以消除由于非常快的瞬變（例如，由靜電放電引起的）引起的問題，而不會對設備的運行產(chǎn)生任何不利影響。

圖2.使用濾波電容來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優(yōu)點。它們相對較小，價格低廉，并且它們的線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(xiàn)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）輸入提供過渡時間限制瞬態(tài)保護。鐵氧體磁珠的優(yōu)點是沒有直流電壓下降。然而，當使用鐵氧體磁珠時，必須確保信號或電源電流不會飽和鐵氧體材料。