电子产品的瞬变和浪涌防护

     关键词：瞬变；浪涌；防护器件 

    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。