微电子设备防雷及电涌保护介绍

雷电以及过电压导致微电子设备的损坏，微电子设备的防护问题已经越来越受重视。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。

随着经济的快速发展，信息化设备得以广泛应用。然而，由于微电子和计算机系统已深入到各行各业，因而雷电灾害也从最早的电力和建筑这两个传统领域扩展到几乎所有的行业。但微电子设备集成度提高，其耐冲击能力却显著降低。雷电对微波通信站、金融、电力调度通信站、气象中心、航空通信、IT数据中心、计算机中心及广播电视系统等场所，集中有较多微电子设备行业造成的危害尤为严重。以上微电子设备会导致遭受直雷击，雷电感应和电磁脉冲对电子设备的损坏呈逐年上升趋势。同时电气系统的开关操作产生内部过电压和静电放电所产生的瞬态浪涌也对电子设备造成极大的危害。

 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。过电压的传播主要有传导和感应两种方式，传导过电压是指架空馈电线或通信线路遭受雷击后高压冲击波形成的暂态过电压，可达几十万伏。该传导过电压沿线路传播，高压侧4%的过电压通过高低压绕组及高低压绕组间的耦合电容窜入到低压侧，造成低压供电线路过电压。其中，幅值4KV以下的占91%，98%的过电压幅值不会超过6KV，常常损坏线路上的仪器和设备。另外电力系统高压侧的操作过电压，也有可能侵入低压侧用户设备。感应过电压是指落在线路附近的雷击，其雷电冲击电流形成的辐射电磁场可在闭合回路中产生感应过电压。

现在，微电子设备耐受过电压强度低的主要原因是设备内部集成化程度越来越高，再加之内部工作电压通常工作在5VDC。对一个使用220VAC继电器的电路而言，在转换操作时产生一个500V的耦合瞬态电压，其过电压几乎不会造成任何损坏，因为该电压并没有超过额定电压值的2.5倍，而且仅在微秒（μs）的时间范围内出现。但对于微电子设备中的集成电路（IC）而言，同样的耦合过电压在电路中已达到额定电压值100倍，远远超出允许的2.5倍，肯定会造成IC的损坏，再加之IC的抗破坏强度比继电器要低若干个数量级。为防止该过电压破坏高灵敏度电气设备，在可能出现此类高电压的导线上，必须在极短的时间内与均压等电位系统实现短路。

雷电和电涌的危害

我国地域辽阔，属于雷电区或雷电多发区。因此，我国每年所面临的雷电灾害是非常严重的。瞬态浪涌是由于闪电放电、电气系统的开关操作和静电放电而引起的。在没有限压和泄流保护措施情况下，闪电放电所包含的能量是巨大的，对于一个即使非常可靠的工业装置低压电源来讲，也是无法抵抗的。瞬态的过电压可以通过电流、电感或电容等耦合途径由电源、测量设备或数据传输系统进入电气设备或电子设备内部。尽管电涌仅在百分之一秒的范围内瞬态发生，仍然可使电子电路器件或线路板受到致命的损坏。

虽然电气或电子设备已按相应标准、规程或文件等形式对微电子设备的过电压防护做了严格的规定，也采取了相应的综合性防护措施，即使已经通过CE认证所要求的耐压试验（IEC 1000 – 4 --5），仍然难以避免强电磁干扰（EMC）造成的损坏。

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。

1、分流

对直击雷用接闪器引下线和接地装置或通过导电且接地良好的金属购架将雷电分流并引入大地，使之尽量不流过被保护设备和器件。雷电流通道的阻抗要低，散流要好，以降低电位，这种分流装置通常在高层建筑上架装避雷装置，并定期检查接地装置和导电金属构架的接地良好性。目前对高灵敏度电子设备很难仅依靠一个“外部防雷设备”就达到保护目的，此外，还需考虑外部防雷设备给室内电气设备带来的EMC问题。通过防雷设备接收和排放雷电冲击电流时，会出现电磁场影响，间接雷电效应产生的辐射电磁场强可达50KV/m，每平方米可产生几百伏的电压。从而导致过电压进入电气设备印刷电路板的导线回路和相应数据线。如果雷电在电子设备附近或通过自然雷电电流通道击中地下，也会以同样方式进入导线回路。

2、均压

将同一楼层同一部位的电缆外皮、设备外壳、金属构架（件）及管道等进行良好的电气连接，以均衡电位。

3、屏蔽

采用屏蔽电缆，利用各种屏蔽箱（盒），法拉第笼和各种自然屏蔽体来阻挡侵入电子系统（设备）的电磁干扰和过电压能量。

4、接地

将所有金属外壳、机架（构件）、管道、电缆金属屏蔽层及穿线管连在一起，并与屏蔽笼及接地网就近连接。电气和电子设备的防雷接地、工作接地及保护接地采用共地方式。

5、保护

在过电压可能侵入的所有端口装设必要的电涌吸收装置和过电压保护装置，在计算机、电子系统引出的信号线及电源线上装设多级保护，包括粗保护和细保护，将侵入的冲击过电压钳制于允许的水平。

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：

- 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。

- 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。 

- 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。

- 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。

在设计由气体放电管和压敏电阻组成的浪涌保护抑制电路时，应充分考虑压敏电阻具有漏电流不稳定这一致命缺点，尤其是性能较差的压敏电阻，在使用一段时间后，因漏电流变大可能会引起自爆。为解决这一问题通常在压敏电阻之间串入气体放电管，放电管的另一端接入地端。这样的组合对压敏电阻使用有较为理想的保护，但同时也带来了缺点：响应保护时间增加（时间为各器件反应时间之和）。如果被保护的不是高灵敏度的器件或者设备，保护时间没有问题。对以上线路如果要提高保护灵敏度（响应保护时间减少），可以在两个串接的压敏电阻器两端再并联一个压敏电阻器就可以提高响应速度，此时反应的时间应该为压敏电阻工作时间。

在使用压敏电阻器保护时，因压敏电阻的结电容较大（一般在几百到几千pF数量范围），很多情况不易直接应用在高频信号线路保护中。在交流电路保护中，也会因结电容较大而增加漏电流，在设计保护电路时应根据被保护对象的实际情况充分考虑这一因素。

3、TVS瞬态电压抑制器

瞬态电压抑制器TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以ps级速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中精密元器件免受各种浪涌脉冲的冲击。由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏小、箝位电压较易控制、无损坏极限且体积小等优点，目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、仪器仪表、RS232/422、数字照相机的保护、共模/差模保护等领域。

TVS是高压瞬间吸收器件，常在防雷保护装置电路尤其是高灵敏度场所中使用。TVS与一般稳压管有着本质区别，稳压管通常都是低压稳压，反向击穿电压较低。而TVS在极性上分为单级性（用于直流电路）双极性（用于交流电路）两种，其主要参数应该是泄露电流和反向时间。在具体使用时TVS在电路中一般工作于反向截止状态，不影响电路的任何功能。如电路由于雷电或各种电器干扰出现大幅度的瞬态干扰和脉冲电流时，它可在ps内迅速转入反向导通状态，并将电路中的电压箝位在所要求的安全系数值上。干扰脉冲过去后，TVS则又转入反向截止状态。由于在反向导通时，其箝位电压低于电路中其它器件的最高耐压值，且TVS能承受的瞬间脉冲功率可以达到上千瓦，因而起到了对其它器件的保护作用。TVS有以下特点：

-  将TVS二极管加在信号电源线上，能防止微处理器或者单片机因瞬间脉冲、如静电放电效应、交流电源浪涌及开关电源的噪声所导致的失灵。

- 可以吸收持续10ms 静电放电效应10×104 V,  60A以下的脉冲的冲击。而一般TTL器件，遇到30ms 的10V的脉冲便会导致损坏。另外TVS还可消除由总线之间开关引起的干扰。

- 将TVS二极管放置在信号线及接地间，能避免数据总线受到不必要的噪声影响。

在具体使用TVS时应注意电流负荷量小和电容量较高这两个方面的弊端。另外TVS具有自感存在，当额定电压越小，自感就越高，而且会与连接导线电感共同构成一个低通，并随着连接电路的信号频率对数据传输产生衰减作用。

4、扼流线圈

扼流线圈是一个铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称绕制在同一个铁氧体环形磁芯上形成的一个四端器件，对于共模信号呈现出的大电感具有抑制作用。共模干扰是同时叠加在两条被测信号线的外界干扰信号，因被测信号的地与线路内部地之间不等电位，由两个地之间的电势即共模干扰源产生。如遇到雷电干扰，线路中产生的共模干扰信号少则几十伏甚至上百伏，如果没有抑制措施很容易对线路内部器件造成损坏。扼流线圈作用在平衡线路中十分有效地抑制了共模干扰信号，避免了共模干扰对器件的损坏，而对线路正常传输的差模信号无影响。

5、1/4 波长天馈线电涌保护器

1/4波长天馈线保护器是根据雷电电波的频谱分析和天馈线的驻波理论所制作的微波信号电涌保护器。这种保护器中的金属短路棒长度根据工作信号频率的1/4波长来确定。此并联的短路棒长度对该工作信号频率来说，阻抗无穷大，相当于开路状态，不影响信号的传输，但对于雷电波来说，短路棒对于雷电波阻抗很小，相当于短路，雷电能量被泄放入地。

具体制作方法是，在一个短的波导空腔插入信号线路，在其中部横伸一段长度等于1/4信号波长的端部接空腔支路。按波行进原理，1/4波长段等于开路，信号可以从主空腔通过。由于雷电波频谱的绝大部分远离射频，它被口腔支路所短路，短路棒的直经一般为几毫米，因此耐冲击电流性能好，可达30KA（8/20μs）以上，而且残压很小（主要是短路棒自身电感引起）。优点是电压保护水平很低，只有几伏。不足之处是工频带较窄，带宽约为2%～20%左右，另一个缺点是对天馈设施加直流偏置，使某些应用受到限制。

电涌保护器的电路根据不同要求设计成不同结构，但它至少应包含一个非线性电压限制器件。为达到更为理想的保护效果，也可以将常用的电涌保护器基本元件如：放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈，根据各自优点综合考虑放至浪涌保护器中，以达到既有好的有效性能，又有理想性价比的浪涌保护器。

微电子设备自身的抗浪涌保护能力十分脆弱，从广义上讲，其过压防护应充分发挥如分流、接地、均压、屏蔽等措施，在此基础上还应根据非线性器件的特性，设计满足不同要求的浪涌保护器。