EMC教程系列之瞬態(tài)保護(hù)

瞬變（電壓或電流的瞬時(shí)峰值）會(huì)破壞或損壞連接到信號(hào)或電源線的產(chǎn)品。由閃電、靜電放電和因開關(guān)斷開或短路而電流突然變化的電路耦合的常見瞬態(tài)能量源。

瞬態(tài)保護(hù)裝置試圖利用瞬態(tài)波形與預(yù)期信號(hào)或功率波形之間的差異，重新引導(dǎo)這些瞬態(tài)中的能量。最常見的瞬態(tài)保護(hù)方案限制其所保護(hù)電路的電壓幅值、電流幅值或過(guò)渡時(shí)間。

圖1說(shuō)明了如何使用限壓瞬態(tài)保護(hù)裝置來(lái)保護(hù)安裝在印刷電路板上的VLSI元件的輸入。在正常信號(hào)或電源電壓下，該器件具有高阻抗，并且不會(huì)顯著影響電路的工作。然而，如果裝置上的電壓超過(guò)一個(gè)閾值，其端子上的阻抗會(huì)突然減小，使來(lái)自被保護(hù)部件的分流電流突然減小。

圖1.印刷電路板上的電壓限制瞬態(tài)保護(hù)。

二極管可能是低壓應(yīng)用中最常見的保護(hù)裝置。一個(gè)無(wú)偏二極管通常有一個(gè)高阻抗時(shí)，其兩端的電位低于約0.5伏。在較高的電壓下，阻抗迅速下降。二極管可以串聯(lián)組合以達(dá)到更高的閾值電壓，或者可以使用反向偏置齊納二極管。一般來(lái)說(shuō)，二極管用于要求閾值電壓在0.5到幾伏之間的應(yīng)用中。

二極管是電壓限制設(shè)備，這意味著它們只傳導(dǎo)足夠的電流來(lái)保持電壓在閾值水平。它們的反應(yīng)速度相對(duì)較快，足以保護(hù)敏感的半導(dǎo)體輸入。然而，二極管通常不能在失效前消耗大量能量。發(fā)生故障的二極管可能看起來(lái)像開路或短路，但更有可能發(fā)生故障短路。

變阻器是另一種電壓限制裝置，通常由金屬氧化物粉末制成。變阻器的閾值電壓可以設(shè)計(jì)為0.5伏到10伏。它們通常比二極管消耗更多的能量，但也可能有更多的寄生電容，這可能使它們不適合用于高速信號(hào)應(yīng)用。和二極管一樣，它們更容易短路而不是開路。

晶閘管是像二極管一樣的半導(dǎo)體器件。然而，它們通常比二極管消耗更多的能量，并且可以在各種閾值電壓下被發(fā)現(xiàn)。與二極管和變阻器不同，晶閘管是撬棍這意味著，當(dāng)超過(guò)閾值電壓時(shí)，它們會(huì)有效地“短路”，而它們之間的電壓降到接近零。

家庭早期電話設(shè)備的防雷裝置由兩個(gè)尖頭的金屬片組成。當(dāng)這些金屬片上的電壓超過(guò)閾值時(shí)，金屬片之間的空氣就會(huì)破裂形成電弧。對(duì)于大電壓來(lái)說(shuō)，這仍然是一種有效的瞬態(tài)保護(hù)方案，但是現(xiàn)在的設(shè)備是封閉在一個(gè)玻璃或塑料管中的，這種氣體比空氣更容易分解。

氣體放電管能夠在不損壞的情況下耗散相對(duì)較大的能量。他們也有相對(duì)較低的電容，所以他們不太可能扭曲快速或高頻信號(hào)。它們通常設(shè)計(jì)為10到100伏的閾值電壓，是像晶閘管一樣的撬桿裝置。

氣體放電管很可能無(wú)法打開，因此很難判斷它們是否正常工作。但是，發(fā)生故障的放電管不會(huì)干擾所連接設(shè)備的正常運(yùn)行。霓虹燈的行為類似于氣體放電管，可以作為一種廉價(jià)的方式提供初級(jí)瞬態(tài)保護(hù)（閾值約為70伏）。

保險(xiǎn)絲、斷路器和熱保護(hù)裝置等裝置是由電流而不是電壓觸發(fā)的。這些裝置與通向被保護(hù)設(shè)備的電源線或信號(hào)線串聯(lián)。他們通常有一個(gè)非常低的阻抗，但當(dāng)過(guò)多的電流流過(guò)他們時(shí)，就會(huì)斷開（變成高阻抗）。一旦它們被觸發(fā)，電流限制裝置阻止電力到達(dá)被保護(hù)的設(shè)備，而不必以熱量的形式散失功率。因此，他們所能處理的能量（或能量）幾乎沒有限制。然而，限流裝置通常響應(yīng)速度不夠快，無(wú)法保護(hù)設(shè)備免受雷電或靜電放電產(chǎn)生的快速瞬變的影響。

電壓和電流限制裝置需要有限的時(shí)間來(lái)響應(yīng)。如果瞬變很快，則可能在保護(hù)裝置有機(jī)會(huì)運(yùn)行之前發(fā)生損壞。通常，最好的瞬態(tài)保護(hù)是一個(gè)簡(jiǎn)單的電容器或鐵氧體磁珠，用來(lái)減緩由于感應(yīng)瞬變引起的電壓或電流的任何變化。

圖2說(shuō)明了VLSI元件敏感輸入上的電容器如何減緩與任何瞬態(tài)相關(guān)的上升時(shí)間。通常，集成電路輸入會(huì)對(duì)非?？斓乃沧冏龀鲰憫?yīng)，即使這不是設(shè)備正常運(yùn)行所必需的。例如，微處理器上的復(fù)位輸入通常不會(huì)頻繁切換。當(dāng)它被切換時(shí)，通常切換發(fā)生在微秒或毫秒內(nèi)并不重要。然而，這些輸入通常對(duì)納秒量級(jí)的瞬態(tài)響應(yīng)。通過(guò)增加并聯(lián)電容器來(lái)減緩這些輸入，可以消除由于非?？斓乃沧儯ɡ?，由靜電放電引起的）引起的問題，而不會(huì)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生任何不利影響。

圖2.使用濾波電容來(lái)減緩快速輸入的響應(yīng)。

電容器與其他瞬變保護(hù)裝置相比有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它們相對(duì)較小，價(jià)格低廉，并且它們的線性行為相對(duì)容易預(yù)測(cè)和建模。與它們保護(hù)的設(shè)備相比，它們的儲(chǔ)能容量相對(duì)較大，因此如果尺寸合適，它們不太可能發(fā)生故障。雖然電容器在暴露于高于其額定值的電壓下通常表現(xiàn)為短路，但在這些條件下其行為并不可靠；因此，電容器不應(yīng)作為限壓暫態(tài)保護(hù)裝置使用。

鐵氧體磁珠或電阻器可用于為低阻抗（例如高電容）輸入提供過(guò)渡時(shí)間限制瞬態(tài)保護(hù)。鐵氧體磁珠的優(yōu)點(diǎn)是沒有直流電壓下降。然而，當(dāng)使用鐵氧體磁珠時(shí)，必須確保信號(hào)或電源電流不會(huì)飽和鐵氧體材料。