电子产品的瞬变和浪涌防护

! "" ! !综述 电子产品的瞬变和浪涌防护 电子产品的瞬变和浪涌防护 潘建 !"#$%&$’#( #) *+%&$"#(’& !"#,-&$. )"#/ 0%’(1 23/31%, 45 6"3(.’%($ 3(, 7-"1% 8#+$31% #$% &’$% 摘要：电子产品在使用中的电压瞬变和浪涌将导致电子产品的损坏，因此，电压瞬变和浪涌防护问 题已经得到越来越多设计者的重视。文章在指出防护的必要性的同时，还介绍了瞬变和浪涌防护 器件的分类及特性，并重点介绍了三种电子产品中瞬变和浪涌防护器件的选择和应用方法。 关键词：瞬变；浪涌；防护器件 分类号：() ** 文献标识码：+ 文章编号：",,- ! -.//0 1,,"2 ,1 ! ,,"" ! ,* " 防护的必要性 众所周知，电子产品在使用中经常会遇到意 外的电压瞬变和浪涌，从而导致电子产品的损 坏，损坏的原因是电子产品中的半导体器件（包 括二极管、晶体管、可控硅和集成电路等 2被烧毁 或击穿。据估计，电子产品的故障有 /34是由于 瞬变和浪涌造成的。电压的瞬变和浪涌无处不 在，电网、雷击、爆破，就连人在地毯上行走都会 产生上万伏的静电感应电压，这些，都是电子产 品的隐形致命杀手。因此，为了提高电子产品的 可靠性和人体自身的安全性，必须对电压瞬变和 浪涌采取防护措施。其方法之一是使整机和系统 接地，整机和系统的地（公共端）和大地应分开， 整机和系统中的每个子系统均应有独立的公共 端，在子系统之间需传输数据或信号时，应以大 地为参考电平，接地线（面）必须能流过很大的电 流，如几百安培。第二种防护方法是在整机和系 统中的关键部位（如电脑的显示器等）采用电压 瞬变和浪涌的防护器件，使电压瞬变和浪涌通过 防护器件旁路到子系统地和大地，从而让进入整 机和系统中的瞬变电压和浪涌幅度大大降低。第 三种防护方法是对重要和昂贵的整机和系统采 用几个电压瞬变和浪涌防护器件的组合形式，以 构成多级防护电路。 1 防护器件的分类及特性 1 5 " 二极管型防护器件 二极管型防护器件是利用硅 #6 结正向压降 （78）和反向雪崩击穿电压（79）特性制成的，如瞬变 电压抑制二极管（(7:）。它有两种形式：一是齐纳 型单向雪崩击穿，二是双向的硅压敏电阻。(7: 器 件在规定的反向应用条件下，在承受到高能量的瞬 时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低以允许 大电流通过，并将电压箝制在预定水平，从而有效地 保护电子产品中的精密元器件免受损坏。双向 (7: 可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压 箝制在预定水平，双向 (7: 适用于交流电路。(7: 的最大优点是箝位系数小，所谓箝位系数是指 (7: 上流过的电流在最大时的端电压与流过的电流为最 小时的端电压的比值，箝位系数越小，抑制瞬变电压 的效果越好，(7: 器件的其它优点是体积小、响应 速度快（小于 "%;）、每次经受瞬变电压后其性能不 会下降和可靠性高等。缺点是电容大、耐电流量小。 现在，国外 (7: 器件已经采用气密性附壳封装，外 形为 <= ! *"，而一般的民用器件则采用有引线或 无引线的塑封形式，典型的有美国 >?%?@$A B%;C@DE F?%C 公司生产 *,,G、-,,G、"3,,G 无引线扁平塑 封，其 *,,G 的工作电压为 3 5 3 H "-17，型号为 ( :E )I-5 J H ( :)I1,,，外形为 :)I K <,1"*IL； -,,G 的 工 作 电 压 为 3 5 3 H "-17， 型 号 为 ( :)+-5 J H ( :)+1,,，外形为 :)+ K <,1"*II； "3,,G 工作电压 3 5 3 H "-17，型号为 ( :)L-5 J H ( :)L1,,，外形为 :)L K<,1"*I+。该公司也生产 无引线圆柱形产品，型号为 (>M*" ! -5 J H (>M*" ! 1,,，外形为 )NM8 >M*"。该公司还生产 ! "# ! 《国外电子元器件》#$$"年第 #期 #$$"年 #月 %$$$& 的 ’()，其工作电压为 % * $ + ""$(，型号为 %,-%* $ + %,-""$，外形为 -.$$。’() 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 # * / + 0 * /(，以满足低压微处理器和 12 的 需要。 # * # 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 )23、’3456 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 )23 的控制栅极将输出短路而中断供电，响 应时间约 "$$!7，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 2))-8（29::;< =>?; )@A@BC< )9:D; -:C=;B= @E; 8;F E@B;），它由日本新电元公司于 "GG/年 "$月研制成 功。由 ? 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示施加规定的脉冲电流 N / Q #$!7 O ! "# !电子产品的瞬变和浪涌防护 波形时的峰值电流。 !浪涌环境参数包括最大浪涌电流 $%& ’或最 大浪涌电压 (%& 和浪涌源阻抗 )* +、浪涌脉冲宽度 , -、相邻两次浪涌的最小时间间隔 ,& 以及在压敏 电阻器的预定工作寿命期内，浪涌脉冲的总次数 . 等。 / 0 压敏电压的选取 一般地说，压敏电阻器常常与被保护器件或装 置并联使用，在正常情况下，压敏电阻器两端的直流 或交流电压应低于标称电压，即使在电源波动情况 最坏时，也不应高于额定值中选择的最大连续工作 电压，该最大连续工作电压值所对应的标称电压值 即为选用值。对于过压保护方面的应用，压敏电压 值应大于实际电路的电压值，一般应使用下式进行 选择： (&1 2 /3 4 56 式中：/ 为电路电压波动系数，一般取 " 0 7；3 为 电路直流工作电压 ’交流时为有效值 +；5 为压敏电 压误差，一般取 8 0 9:；6为元件的老化系数，一般取 8 0 ;； 这样计算得到的 (&1 实际数值是直流工作电 压的 " 0 :倍，在交流状态下还要考虑峰值，因此计算 结果应扩大 " <="=倍。另外，选用时还必须注意： ’ " + 必须保证在电压波动最大时，连续工作电 压也不会超过最大允许值，否则将缩短压敏电阻的 使用寿命； ’ 7 + 在电源线与大地间使用压敏电阻时，有时 由于接地不良而使线与地之间电压上升，所以通常 采用比线与线间使用场合更高标称电压的压敏电阻 器。 5 0 通流量的选取 通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波 形、冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品所能 承受的最大电流值。而产品所能承受的冲击数是波 形、幅值和间隙时间的函数，当电流波形幅值降低 :8>时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中，压 敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流 量。 6 0 应用 图 "所示是采用压敏电压器进行电路浪涌和瞬 变防护时的电路连接图。对于压敏电阻的应用连 接，大致可分为四种类型： 第一种类型是电源线之间或电源线和大地之间 的连接，如图 "’/ +所示。作为压敏电阻器 ?最具有代 表性的使用场合是在电源线及长距离传输的信号线 遇到雷击而使导线存在浪涌脉冲等情况下对电子产 品起保护作用。一般在线间接入压敏电阻器可对线 间的感应脉冲有效，而在线与地间接入压敏电阻则 对传输线和大地间的感应脉冲有效。若进一步将线 间连接与线地连接两种形式组合起来，则可对浪涌 脉冲有更好的吸收作用。 第二种类型为负荷中的连接，见图 "’5 +。它主 要用于对感性负载突然开闭引起的感应脉冲进行吸 收，以防止元件受到破坏。一般来说，只要并联在感 性负载上就可以了，但根据电流种类和能量大小的 不同，可以考虑与 @ ! A 串联吸收电路合用。 第三种类型是接点间的连接，见图 "’6 +。这种 连接主要是为了防止感应电荷开关接点被电弧烧坏 的情况发生，一般与接点并联接入压敏电阻器即 可。 第四种类型主要用于半导体器件的保护连接， 见图 "’B +。这种连接方式主要用于可控硅、大功率 三极管等半导体器件，一般采用与保护器件并联的 方式，以限制电压低于被保护器件的耐压等级，这对 半导体器件是一种有效的保护。 # 0 7 气体放电管的选用 采用气体放电管进行保护时，一定要将放电管 安装在被保护器件的引入端，将其上端接在线路的 入口处。 气体放电管的伏秒特性与被保护设备的伏秒特 性也要正确配合，也就是要根据线路的特点来选择 气体放电管，其放电电压一定要小于被保护设备的 图 " 采用压敏电阻的防护连接 ! "# ! 《国外电子元器件》$%%"年第 $期 $%%"年 $月 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。 ( ) ( *+, 管的选用 选用 *+, 器件前，应对它的参数有所了解，这 些参数主要有： !击穿电压 +-.：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 +/012：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 " ) ((&在总的额定功率下 ’ 或 " ) $%&在 3%4的额 定功率下 ’。 !最大反向工作电压 +.50：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： +.50 6 & % ) 7 8 % ) 9’+-. 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 :;;：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 ;;. &* +, 的浪涌能力 ’： *+, 的反向峰值脉冲功率 ;;. 不仅与反向峰值 :; 和最大钳位电压 +/012 有关，而且还和脉冲波形、脉 冲持续时间及环境温度有关，即： ;;. 6 <"<+/ :; &= ’ 式中，< 为功率系数、<" 为功率的温度系数。 !电容 /;;：*+, 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 *+, 器件的 响应时间。 !漏电流 :.：当最大反向工作电压施加到 *+, 上时产生的一个恒定电流称为最大漏电流。当 *+, 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 *+, 时，一般 应该遵循以下选择原则： & " ’ 最大嵌位电压 +/012 应不大于电流的最大 允许安全电压。 & $ ’ 最大反向工作电压 +.50 应不低于电路的 最大工作电压，一般可选 +.50 等于或略高于电路 的工作电压。 & ( ’ 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 $给出了几个 *+, 管的应用防护器件的连 接方法。 *+, 在美国应用十分广泛，特别是在军事电子 设备中更是如此。由于 *+, 进入我国的时间不长， 在国内的应用还处于推广阶段。现在，由于新的工 艺技术和材料的使用，出现了数量更多、性能更好、 功能更强的浪涌和瞬变防护器件。如 >?@@AB公司生 产的 0C、0C1、0CD、0CE 系列多层瞬变电压抑 制器件，该器件的性能超过硅瞬变电压抑制器件及 单层金属氧化物压敏电阻器件两个数量级以上；并 具有多种外壳尺寸，其电容数值范围也很宽，设计人 员可以有多种选择，因而使得对于瞬变和浪涌的防 护可以做得更好；另外，它还具有比其它防护器件更 快的响应速度。我们相信，瞬变和浪涌防护这个大 家庭会越来越兴旺，它将给电子产品带来一片洁净 的天空。 收稿日期：$%%% ! %F ! $F 咨询编号：!"!#!# 图 $ 采用 *+, 器件的防护连接电路