微电子设备防雷及电涌保护常用设计方法

【导读】本文详细介绍了防护雷电及过电压的常用方法：分流、均压、屏蔽、接地和保护。对构成浪涌保护器的内部器件如：放电管、压敏电阻、TVS瞬态电压抑制器、共模线圈等也有详细介绍，且根据器件的各自特点设计理想的浪涌保护器。

微电子设备遭受雷电的危害

微电子设备由于雷击放电或者电气设备的开关操作而产生的过电压对设备造成失效 、损坏的实例屡见不鲜，由此造成了巨大的经济损失。直接损失通常反映设备使用者在硬件方面的损失，可以修复或者替换。然而软件方面的损失以及设备停机所造成的损失是无法弥补的。对微电子设备采取行之有效的保护措施，实现对集成度越高而耐受过电压能力越来越低的电子系统(设备)的可靠防护，尽量减小其遭受雷击或冲击过电压的干扰和损坏，已成为微电子设备可靠性工作中急需解决的问题。

微电子设备通常工作在低压电网中，低压电网中过电压有四类：雷电引起的过电压、静电放电、操作过电压以及工频过电压。过电压通常以共模(过电压在带电导体或中性线和大地之间产生)和差模(过电压在带电导体之间产生)两种干扰方式干扰低压电网，其中雷电过电压破坏性最大。

防雷及过电压保护机理

在电子设备防雷及过电压保护上，通常采用分流、均压、屏蔽、接地及保护等方式。这种电子设备是目前雷电防护中不可缺少的一种装置，过去也称为“过电压保护器(SPD)”。其作用就是把窜入电力线、信号传输线瞬时过压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入大地，使被保护设备或系统不受冲击。

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常用防雷及过电压器件

目前常用的防雷及过电压防雷器件有放电管(充气式放电管)、压敏电阻和瞬态电压抑制器等。

1、气体放电管

气体放电管为低灵敏度保护器件，其工作部分通常用玻璃封装或陶瓷封装，内部为一对相互隔开的冷阴极电极，并充以一定压力的惰性气体(多数为氩气)。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还有助触发剂，从结构上分二极型或三极型。

常用过电压放电器可以排放10KA ( 8/20μs)以下的瞬态电流。气体放电管的反应时间是指从外加电压超过击穿电压到产生击穿现象的时间，气体放电管一般在μm微秒数量级。气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压，其值取决于气体的种类和电极间的距离等因素。

气体放电管的电容量很小，一般≤1~5pF。它的工作原理是指当加至气体放电管两电极间电压达到电极击穿电压Ubr时，放电间隙立即点火放电，流通较大电流，而气体放电管两端电压降到电极间电弧电压，呈现低电阻。气体放电管可在直流和交流条件下使用，所选用的直流放电电压Udc≥Uo(Uo为线路正常工作的直流电压);交流条件下使用时，Udc≥1.44Un(Un为线路正常工作的交流电压有效值)。

气体放电管的动作时间在毫秒范围内，广泛用于远程通讯领域，优点是耐电流大而静电容小。缺点是点火电压高，且点火性能受到时间的限制。气体放电管的另一缺点是可能出现电源续流问题。气体放电管点火以后，在电压超过24V的低阻抗电路，尤其容易将原本只希望持续几微秒后将气体放电管引起的短路继续保持下去，结果是气体放电管在瞬间会爆裂。因此，在采用气体放电管的过电压保护线路里，必须预设一个断路器，以便在极短的时间将电路切断。

2、压敏电阻

压敏电阻是一种具有瞬态电压仰制功能的限压型保护器件。利用器件特别敏感的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两级间，压敏电阻可以将电压箝位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。可以用来代替瞬态仰制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。常用于过电压保护的压敏电阻有金属氧化物压敏电阻(MOV)和碳化硅(SiC)两类。压敏电阻两端正、反向都具有同二极管反向击穿相类似的伏安特性，当作用在其两端的电压达到一定数值后，电阻对电压十分敏感。

压敏电阻最显著的特点是非线性特性好，电压范围很宽，可从几伏到几千伏，吸收电涌电流可从几十安到几千安培，反应速度快，非线性指数大，无极性、无续流、使用寿命长且成本低，多用于直流电源、交流电源、低频信号线路和带馈电线路等。在手机、手提电脑、PDA、数字相机、医疗仪器等设备上，表面贴装压敏电阻应用最为广泛。

压敏电阻器在电路浪涌和瞬变防护时的应用大致可分四种类型：

1)在电源线之间和大地之间连接压敏电阻

该压敏电阻的使用最具代表性。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时对电子产品起到保护作用。通常线间接入的压敏电阻对线间的感应脉冲有效;而线与地间接入的压敏电阻对传输线和大地间的感应脉冲有效。若对线间连接与线地连接两种形式进行组合，则可对浪涌脉冲能起到更好的吸收作用。

2)在负荷中的保护

将压敏电阻器并联至感性负载两端，主要用于对感性负载突然开闭引起的感应脉冲进行吸收，防止元件受到破坏。一般来讲，将压敏电阻并联至感应负载即可，如果再考虑电流种类和能量大小的不同，与R – C 串联吸收电路合用更为理想。

3)接点间的连接保护

将保护压敏电阻器并联至被保护接点两端，可防止感应电荷将开关接点电弧烧坏的情况发生。

4)保护半导体器件

将压敏电阻两端并接至大功率的集电极、发射极两端，或者可控硅阳极和阴极两端，以限制电压低于被保护器件的耐压等级，这对半导体是一种非常有效的保护。

在具体使用压敏电阻器时，如果电器设备耐压水平Vo较低，而浪涌能量又比较大，则可选择压敏电阻V1mA 较低、片径较大的压敏电阻器;如Vo较高可选择压敏电压V1mA较高的压敏电阻器，这样既可以保护电器设备又能延长压敏电阻使用寿命。

另外压敏电阻也可以与空气放电管、TVS瞬态电压抑制器组成综合浪涌保护器，以得到最佳的保护效果。上述器件可组成二级保护或三级保护，气体放电管一般放在线路输入端，做为一级浪涌保护器件，承受大的浪涌电流;二级保护器件采用压敏电阻，在μs(微妙)级时间范围内更快地响应;对于高灵敏度的电子线路，可以增加第三级TVS保护，在ps(皮秒)级时间范围内对浪涌电压产生响应。