原创 电子产品的瞬变和浪涌防护

电子产品的瞬变和浪涌防护<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

潘建

Protection of Electronic Products from Being Damaged by　Transient and Surge Voltage

Pan Jian

摘要：电子产品在使用中的电压瞬变和浪涌将导致电子产品的损坏，因此，电压瞬变和浪涌防护问题已经得到越来越多设计者的重视。文章在指出防护的必要性的同时，还介绍了瞬变和浪涌防护器件的分类及特性，并重点介绍了三种电子产品中瞬变和浪涌防护器件的选择和应用方法。
关键词：瞬变；浪涌；防护器件
分类号：TM44    文献标识：B    文章编号：1006-6977（2001）<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />02-0011-04

1.　防护的必要性

　　众所周知，电子产品在使用中经常会遇到意外的电压瞬变和浪涌，从而导致电子产品的损坏，损坏的原因是电子产品中的半导体器件（包括二极管、晶体管、可控硅和集成电路等)被烧毁或击穿。据估计，电子产品的故障有75％是由于瞬变和浪涌造成的。电压的瞬变和浪涌无处不在，电网、雷击、爆破，就连人在地毯上行走都会产生上万伏的静电感应电压，这些，都是电子产品的隐形致命杀手。因此，为了提高电子产品的可靠性和人体自身的安全性，必须对电压瞬变和浪涌采取防护措施。其方法之一是使整机和系统接地，整机和系统的地（公共端）和大地应分开，整机和系统中的每个子系统均应有独立的公共端，在子系统之间需传输数据或信号时，应以大地为参考电平，接地线（面）必须能流过很大的电流，如几百安培。第二种防护方法是在整机和系统中的关键部位（如电脑的显示器等）采用电压瞬变和浪涌的防护器件，使电压瞬变和浪涌通过防护器件旁路到子系统地和大地，从而让进入整机和系统中的瞬变电压和浪涌幅度大大降低。第三种防护方法是对重要和昂贵的整机和系统采用几个电压瞬变和浪涌防护器件的组合形式，以构成多级防护电路。

2.　防护器件的分类及特性

2.1 二极管型防护器件
　　二极管型防护器件是利用硅PN结正向压降（VF）和反向雪崩击穿电压（VZ）特性制成的，如瞬变电压抑制二极管（TVS）。它有两种形式：一是齐纳型单向雪崩击穿，二是双向的硅压敏电阻。TVS器件在规定的反向应用条件下，在承受到高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低以允许大电流通过，并将电压箝制在预定水平，从而有效地保护电子产品中的精密元器件免受损坏。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制在预定水平，双向TVS适用于交流电路。TVS的最大优点是箝位系数小，所谓箝位系数是指TVS上流过的电流在最大时的端电压与流过的电流为最小时的端电压的比值，箝位系数越小，抑制瞬变电压的效果越好，TVS器件的其它优点是体积小、响应速度快（小于1ns）、每次经受瞬变电压后其性能不会下降和可靠性高等。缺点是电容大、耐电流量小。现在，国外TVS器件已经采用气密性附壳封装，外形为DO－41，而一般的民用器件则采用有引线或无引线的塑封形式，典型的有美国General Instrument公司生产400W、600W、1500W无引线扁平塑封，其400W的工作电压为5.5～162V，型号为TSMA6.8～TSMA200，外形为SMA/D0214AC；600W的工作电压为5.5～162V，型号为TSMB6.8～TSMB200，外形为SMB/D0214AA；1500W工作电压5.5～162V，型号为TSMC6.8～TSMC200，外形为SMC/D0214AB。该公司也生产无引线圆柱形产品，型号为TGL41－6.8～TGL41－200，外形为MELF GL41。该公司还生产5000W的TVS，其工作电压为5.0～110V，型号为5KP5.0～5KP110，外形为P600。TVS的另一发展方向是开发低电压产品，目前正在开发的产品电压范围为2.8～3.8V，以满足低压微处理器和IC的需要。
2.2 晶闸管型防护器件
　　晶闸管型防护器件已有两种：第一种是控制栅极型双向三端器件，如SCR、TRLAO等。因为大多数电源电路的输出端都有电压过载保护，用一个电平触发SCR的控制栅极将输出短路而中断供电，响应时间约100μs，这对电压敏感的器件有可能造成损坏，它的优点是耐电流量大，缺点是点火电压易变化。第二种是控制维持电流型双向两端器件，如CSSPD（Curren type Silicon Surge Protective Device），它由日本新电元公司于1998年10月研制成功。由pnpnp五层组成，其结构是在单芯片上逆向并联组成的复合器件。当浪涌电压超过转折电压VBO时，器件被导通，这时它呈现一般PN结二极管的正向电压降（VF）和等效的导通电压（VT）特性，被保护电路上仅施加相当于导通电压的电压值（只有几伏）。当浪涌流过后，电流慢慢减少到维持电流（IH）水平以下，此时器件关闭，工作点又回到原来位置，被保护电路流过正常电压。这种器件有如下特点：
　　（1） 器件的直流放电开启电压（VS）与响应时间（s）的关系基本上不随浪涌电压上升率的增加而增加。
　　（2）该器件经反复浪涌后其直流放电开启电压基本上保持不变。
　　（3） 浪涌电流增加时，该器件的直流放电开启电压基本保持不变。
　　（4）该器件经反复浪涌后其转折电压基本保持不变。
　　另外，该器件还具有响应速度快、不需多级防护电路、耐电流量大、静电容量小和可靠性高等优点，特别适用于防护雷电浪涌。日本新电元公司已推出多种无引线CSSPD，如KP15N系列。此外，该公司还推出一种四端桥二极管，它内含一个CSSPD（KP4R20）和四个整流二极管（SIWB60），型号为KW4R，特别适用于通信电路的防护和电源保护。
2.3 其它防护元件
　　其它防护元件主要有两种：其一是气体放电管，它的优点是耐电流量大和静电容量小，缺点是点火电压高，在直流电压下不能恢复到截止状态，因而不能用于防护低电压电路，经多次电压瞬变和浪涌后其性能会下降；其二是金属氧化物压敏电阻，如ZnO压敏电阻，它是以氧化锌为主要原料制造的半导体陶瓷元件，利用ZnO电压的非线性来吸收瞬变电压和浪涌。这种压敏电阻器件的电压范围很宽，可从几伏到几千伏，吸收浪涌电流可从几十到几千安培，它反应速度快、非线性指数大、无极性、无续流、寿命长、成本低，缺点是箝位系数小，呈负温度系数，经多次电压瞬变和浪涌后其性能会下降，因而不适用IC，且使用温度范围低，不能采用气密性封装，其可靠性也不高等。

3.　瞬变和浪涌防护器件的应用

　　防护电压瞬变和浪涌的半导体器件可用于各种整机和系统，以防止各种电压瞬变和浪涌对整机和系统的干扰和损坏。下列应用领域一般均需用防护电压瞬变和浪涌的半导体器件：
　　●各类中继站，如卫星中继站或一般TV转播站，这类工作系统一般均需防止天线近处（或人体接触）的静电和浪涌对整机所造成的损坏。
　　●电话系统。
　　●通信线路。
　　●数据传输线路。
　　●阴极射线管，如电脑显示器、TV显像管等，这类器件一般应防止瞬变电压和浪涌损坏推动级的IC和大功率三极管。
　　●无线电接收机，如汽车收音机、收录机、移动天线等。
　　●高可靠电源。
　　●电动机调速电路。
3.1 压敏电阻的选用
　　选用压敏电阻器前，应先了解以下相关技术参数：
　　●标称电压(即压敏电压)是指在规定的温度和直流电流下，压敏电阻器两端的电压值。
　　●漏电流：指在25℃条件下，当施加最大连续直流电压时，压敏电阻器中流过的电流值。
　　●等级电压是指压敏电阻中通过8/20等级电流脉冲时在其两端呈现的电压峰值。
　　●通流量是表示施加规定的脉冲电流(8/20μs)波形时的峰值电流。
　　●浪涌环境参数包括最大浪涌电流Ipm(或最大浪涌电压Vpm和浪涌源阻抗Zo)、浪涌脉冲宽度Tt、相邻两次浪涌的最小时间间隔Tm以及在压敏电阻器的预定工作寿命期内，浪涌脉冲的总次数N等。
　　a. 压敏电压的选取
　　一般地说，压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用，在正常情况下，压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压，即使在电源波动情况最坏时，也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压，该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。对于过压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般应使用下式进行选择：
　　VmA=av/bc
　　式中：a为电路电压波动系数，一般取1.2；v为电路直流工作电压(交流时为有效值)；b为压敏电压误差，一般取0.85；c为元件的老化系数，一般取0.9；
　　这样计算得到的VmA实际数值是直流工作电压的1.5倍，在交流状态下还要考虑峰值，因此计算结果应扩大1.414倍。另外，选用时还必须注意：
　　(1) 必须保证在电压波动最大时，连续工作电压也不会超过最大允许值，否则将缩短压敏电阻的使用寿命；
　　(2) 在电源线与大地间使用压敏电阻时，有时由于接地不良而使线与地之间电压上升，所以通常采用比线与线间使用场合更高标称电压的压敏电阻器。
　　b.通流量的选取<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /><?xml:namespace prefix = w ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:word" />
　　通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形、冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品所能承受的最大电流值。而产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数，当电流波形幅值降低50％时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中，压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量。
　　c.应用
　　图1所示是采用压敏电压器进行电路浪涌和瞬变防护时的电路连接图。对于压敏电阻的应用连接，大致可分为四种类型：
　　第一种类型是电源线之间或电源线和大地之间的连接，如图1(a)所示。作为压敏电阻器,最具有代表性的使用场合是在电源线及长距离传输的信号线遇到雷击而使导线存在浪涌脉冲等情况下对电子产品起保护作用。一般在线间接入压敏电阻器可对线间的感应脉冲有效，而在线与地间接入压敏电阻则对传输线和大地间的感应脉冲有效。若进一步将线间连接与线地连接两种形式组合起来，则可对浪涌脉冲有更好的吸收作用。
　　第二种类型为负荷中的连接，见图1(b)。它主要用于对感性负载突然开闭引起的感应脉冲进行吸收，以防止元件受到破坏。一般来说，只要并联在感性负载上就可以了，但根据电流种类和能量大小的不同，可以考虑与R－C串联吸收电路合用。
　　第三种类型是接点间的连接，见图1(c)。这种连接主要是为了防止感应电荷开关接点被电弧烧坏的情况发生，一般与接点并联接入压敏电阻器即可。
　　 第四种类型主要用于半导体器件的保护连接，见图1(d)。这种连接方式主要用于可控硅、大功率三极管等半导体器件，一般采用与保护器件并联的方式，以限制电压低于被保护器件的耐压等级，这对半导体器件是一种有效的保护。
3.2 气体放电管的选用
　　采用气体放电管进行保护时，一定要将放电管安装在被保护器件的引入端，将其上端接在线路的入口处。
　　气体放电管的伏秒特性与被保护设备的伏秒特性也要正确配合，也就是要根据线路的特点来选择气体放电管，其放电电压一定要小于被保护设备的电压，即放电管的冲击击穿电压，在任何时候都要比被保护设备的冲击放电电压低，这样才能有效地保护电子设备。
　　放电管的伏安特性与被保护的电气设备的伏安特性也要配合正确，即放电管电离击穿以后，在放电管上的电压降(也称残余电压)一定要比被保护的设备的耐压低。
3.3 TVS管的选用
　　选用TVS器件前，应对它的参数有所了解，这些参数主要有：
　　●击穿电压VBR：指器件在发生击穿的区域内，在规定的试验电流条件下所测得的器件两端的电压值。
　　●最大钳位电压VCMAX：在峰值脉冲电流下测得的最大电压值称为最大钳位电压。最大钳位电压与击穿电压之比称为钳位系数。一般钳位系数取值为1.33(在总的额定功率下)或1.20(在50％的额定功率下)。
　　●最大反向工作电压VRWM：该电压是指器件反向工作时，在规定的漏电流下，器件两端的电压值。通常取：
　　VRWM=(0.8～0.9)VBR
在这个电压下，器件的功率消耗很小。
　　●最大反向峰值脉冲电流IPP：该参数是指在反向工作条件下，在规定的脉冲时间内器件所允许通过的最大峰值脉冲电流。
　　●反向峰值脉冲功率PPR(TVS的浪涌能力)：TVS的反向峰值脉冲功率PPR不仅与反向峰值IP和最大钳位电压VCMAX有关，而且还和脉冲波形、脉冲持续时间及环境温度有关，即：
　　PPR=K1KVCIP(t)
式中，K为功率系数、K1为功率的温度系数。
　　●电容CPP：TVS的电容大小由硅片的面积和击穿电压来决定，电容的大小会影响TVS器件的响应时间。
　　●漏电流IR：当最大反向工作电压施加到TVS上时产生的一个恒定电流称为最大漏电流。当TVS用于高阻抗电路时，这个漏电流是一个重要的参数。
　　在瞬变和浪涌防护电路中使用TVS时，一般应该遵循以下选择原则：
　　(1)最大嵌位电压VCMAX应不大于电流的最大允许安全电压。
　　(2)最大反向工作电压VRWM应不低于电路的最大工作电压，一般可选VRWM等于或略高于电路的工作电压。
　　(3)额定的最大脉冲功率必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。
　　图2给出了几个TVS管的应用防护器件的连接方法。
　　TVS在美国应用十分广泛，特别是在军事电子设备中更是如此。由于TVS进入我国的时间不长，在国内的应用还处于推广阶段。现在，由于新的工艺技术和材料的使用，出现了数量更多、性能更好、功能更强的浪涌和瞬变防护器件。如Harris公司生产的ML、MLA、MLE、MLN系列多层瞬变电压抑制器件，该器件的性能超过硅瞬变电压抑制器件及单层金属氧化物压敏电阻器件两个数量级以上；并具有多种外壳尺寸，其电容数值范围也很宽，设计人员可以有多种选择，因而使得对于瞬变和浪涌的防护可以做得更好；另外，它还具有比其它防护器件更快的响应速度。我们相信，瞬变和浪涌防护这个大家庭会越来越兴旺，它将给电子产品带来一片洁净的天空。