电子产品电压瞬变和浪涌的防护

一、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。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对人体自身的安全性考虑，必须对电压瞬变和浪涌采取防护措施：一是要使整机和系统接地，整机和系统的地(公共端)与大地应分开，整机和系统中的每个子系统应有独立的公共端，每个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。二是在整机和系统中的关键部位应采用防护器件，使电压瞬变和浪涌，通过防护器件旁路到子系统地或大地。三是对于重要、昂贵的整机和系统，可采用几个电压瞬变和浪涌防护器件的组合形式，构成多级防护电路。

二、防护器件的分类及特性

1．二极管型防护器件它是利用硅PN结的特性而制成，如瞬变电压抑制二极管(TVS)。它有两种类型：一是齐纳型单向的雪崩击穿，二是双向的硅压敏电阻。单向TVS器件在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压钳制在预定水平，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，并把电压钳制在预定水平，双向TVS适用于交流电路。

2．晶闸管型防护器件有两种类型：一是控制栅极型双向三端器件，如SCR、TRLAO等。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100us，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，缺点是触发电压易变化；二是控制维持电流型双向两端器件，如CSSPD(Current 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。当浪涌电压超过转折电压Vbo时，器件导通，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流。该器件具有响应速度快、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浦。

3．其它防护元件

主要有两种：一是气体放电管，优点是耐电流量大和静电容量小，缺点是启动电压高，在直流电压下不能恢复至截止状态，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；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。它具有电压范围宽(几伏至几千伏)、吸收浪涌电流大(几十至几干安培)、反应速度快、无极性、无续流、寿命长、成本低等优点，缺点是钳位系数小，呈负温度系数，经多次电压瞬变和浪涌后其性能会下降，不适用于Ic电路。

三、电子产品中瞬变和浪涌防护器件的应用

1．压敏电阻的选用

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低于标称电压，并且在电源波动最大时，也不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。

通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形、冲击次数和间歇时间进行脉冲试验时产品所能承受的最大电流值。产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间歇时间的函数，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。

压敏电阻常接在电源线之间或电源线与大地之间，1。作为压敏电阻器最具有代表性的使用场合，是在电源线以及长距离传输的信号线等感应雷击浪涌以及开关引起的导线脉冲等情况下，对电子产品起保护作用。在线间接人压敏电阻器时，对线间的感应脉冲有效。在线地间接入压敏电阻时，对传输线和大地间的感应脉冲有效。

负荷端的连接，2。主要是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，只要并联在感性负载上就可以了。因电流种类和能量大小等不同，也可以考虑与RC串联吸收电路合用。

半导体器件保护，3。常用于可控硅、大功率三极管等半导体器件。使用时与被保护器件并联，使限制电压低于被保护器件的耐压等级，对半导体器件是一种有效的保护。其它电路4、5、6、7。



2．气体放电管的选用

采用气体放电管进行保护，应将放电管安装在被保护器件的引入端，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要正确配合，也就是要根据线路的特点选择气体放电管，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。

放电管的伏安持性与被保护的电气设备的伏安特性要正确配合。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低。

3．TVS管的选用

选用前，必须对它的一些参数进行了解。如击穿电压Vbr，最大钳位电压Vcmax，最大反向峰值脉冲电流Ipp，反向峰值脉冲功率Ppr等。在选择TVS时，一般应遵循以下原则：最大钳位电压Vcmax应不大于电路的最大允许安全电压；最大反向工作电压Vrwm不低于电路的最大工作电压；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。