電路保護的作用和意義

雷電的形成和危害機理
靜電的形成和危害機理
電力系統中的操作過電壓
雷擊浪涌防護測試與設計
靜電放電測試與設計

案例分析

內容

電路保護的作用及意義

20世紀80年代以來，電信事業，電力工業，交通運輸業飛速發展，電 信網絡，計算機網絡，電力網絡，汽車電子的建設與更新在如火如荼的展開，在技術上正在數字信息化，微電子化。然而數字信息化所依賴的集成電路的低電平工作特性，使得電力網絡，信息網絡也更容易在網絡的系統部件，終端設備上被干擾和損壞，造成能量和信息的中斷，堵塞，甚至系統癱瘓，產生不可估量的巨大損失。

所以，安全性，可靠性設計成為電氣，電子設備及產品開發設計的重要內容，使其可以抵抗遇到的一些外界極端電磁環境，如雷電，靜電等，以及電子產品自身產生的安全故障，如因用戶操作不當，負載故障，元器件老化等原因形成的異常過電壓，過電流。

電路保護技術與EMC

電磁兼容是指電氣，電子設備在指定的電磁環境中，對外不產生過大的電子噪聲，同時又能抵抗一定的外界電磁干擾的能力。

20世紀90年代，歐盟率先對進入其地區的電氣電子產品強制EMC認證制 度，即CE認證，隨后各國相繼推出自己的標準，如美國FCC, 日本的VCCL，我國的3C等等。

而在電磁兼容性能中，電子產品抗外界雷擊，靜電放電等瞬態強干擾的能力是其重要的抗干擾能力指標。

如電磁兼容的國標都有明確的規定

GB/T 17626.2靜電放電抗擾度

GB/T 17626.5浪涌沖擊抗擾度。

GB/T 17626.4電快速瞬變脈沖群抗擾度

GB/T 17626.6射頻干擾

GB/T 17626.8工磁場干擾

GB/T 17626.12阻尼震蕩波

總而言之，電路保護設計與電磁兼容性能有著密切的關系， 良好的電路保護設計有助于產品電磁兼容性能的提高。

雷電的形成和危害機理

雷電的形成

雷電是人們夏季常見的一種危險而劇烈的自然現象，其形成與大氣電場有密切的關系，雷雨云帶電原因解釋不少，如感應起電，溫差起電，對流起電，破碎起電等等， 目前沒有形成較為滿意的一致認識。

雷電的放電過程

當云中負電荷區的電場強度積累到上百萬伏/米時，含云的大氣就會因氣體分子的劇烈撞擊而產生電離，這些電離的氣體具有導電能力，進而形成自雷雨云邊緣向大地延伸

的局部放電通道，并伴隨氣體發光現象。

雷電的形成和危害機理

雷電的工程模型

雷電的電壓最高可達幾兆至幾百兆伏特，放電電流可達上百千安培。雷電的放電電流呈陡前沿，單極性脈沖的形狀。

雷電的危害效應

直擊雷：熱效應，機械效應，電動力效應，高電壓效應

感應雷: 架空線路的靜電感應效應，雷電的磁場感應效應

靜電的形成和危害機理

靜電的形成

靜電的形成有很多種方式，對于低壓電氣，電子設備來講常見的形式有人體靜電起電，元器件及機器設備的靜電起電。

雷電的危害效應

靜電的力學效應，靜電的熱效應，靜電的強電場效應，靜電放電的電磁脈沖效應

靜電危害的特點：

隱蔽性，潛在性，隨機性，復雜性

瞬變脈沖群的形成和要求

產生于感性負載的投切、繼電器切點彈動的瞬間，這種干擾以共?；虿钅７绞接绊懚丝冢娫?、信號、控制端口），對操作系統產生嚴重的破壞性。

EFT/GB 三極標準：

u 供電端口和模擬量端口

共?？垢蓴_能力，峰值2KV ，波形重復頻率為5KHZ差模抗干擾能力，峰值1KV ，波形重復頻率為5KHZ

u I/O信號/數據和控制端口

共?？垢蓴_能力，峰值1KV ，波形重復頻率為5KHZ差模抗干擾能力，峰值0.5KV ，波形重復頻率為5KHZ

瞬變脈沖群干擾方式

 傳導性耦合

 電容或電感耦合（圖1&圖2），解決方法，見后面。

 電磁輻射 (處理：電磁屏蔽、拉開距離、減小環路、退藕）

瞬變脈沖群測試基本要求

 根據我們對大量的數據統計：從長遠穩定來看，產品的所有接口，共模EFT最小要達到峰值2KV 、 重復頻率5KHZ 差模峰值1KV 、重復頻率5KHZ

瞬變脈沖群改善方案

之一：電容耦合改善方法

從上分析來看，降低輸入阻抗可以提高抗干擾能力，從分布參數來看，采用多層板或鋪設大面積地網對于電容耦合干擾衰減較大。能做到電場屏蔽效果好。

瞬變脈沖群改善方案

之二：電感耦合改善方法 

 h代表兩導線距地平面的高度

μ,和μ,分別表示空氣和介質的磁導率d表示兩平行導線的間距

從上分析來看，鋪設大面積地和多層電路板可以增加插入衰減。減小介質磁導率也可以減小互感w。

雷擊浪涌測試與設計

根據GB/T17626.5,雷擊浪涌模擬器的電路原理，及使用的儀器。

雷擊浪涌測試與設計

對于電源線及短距離信號互連線的端口使用1.2/50μs波形，對于連接到對稱通信線的端口，應使用10/700μs組合波發生器。

8/20 μs組合波

1.2/50μs

10/700μs 5/320 μs組合波

雷擊浪涌測試與設計

感應雷及浪涌電流的抑制原理

1.提高設備的絕緣耐壓水平

2.利用瞬態干擾吸收電路

3.屏蔽敏感電路

4. 電氣隔離

雷擊浪涌測試與設計

抑制器件的使用方法

縱向橫向并聯設計（共差模）

差模電流 ：信號線-回流線電流 ，大小相等、方向相反；

差模電壓：信號線-回流線間電壓；

共模電流 ：線-大地間電流 ，方向相同；

共模電壓：線-大地間電壓

有用的信號都是差模的 ，騷擾可能是差模的 ，也可能是共模的。

過電壓

雷擊浪涌測試與設計

抑制器件的使用方法

多級防護，逐級遞減

Surge voltage

Safe voltage

第一級保護，大通流被保護設備

第二級保護，精確箝位器件

雷擊浪涌測試與設計

抑制器件的使用方法

寄生參數最小設計

并聯的瞬態過電壓抑制器在接入線路時，連線和接頭要盡可能短。下面兩種接法不同。

被保護設備

被保護設備

靜電放電測試與設計

根據GB/T17626.2，靜電放電測試的電路和測試儀

靜電放電測試與設計

靜電發生器的電流輸出典型波形

靜電僅施加于操作人員正常使用設備時可能接觸的點和面上

。

靜電放電測試與設計

電子設備靜電放電保護原理

1. 控制靜電起電，消除和減少靜電；

2. 消除和中和靜電

3. 選用抗靜電元器件及抗干擾的軟件流程；

4. 進行系統的ESD保護改善設計

靜電放電測試與設計

電子設備靜電放電保護設計

機殼的抗靜電設計：

金屬機殼，完整的良導體密封機殼可以阻止傳導電流流入，也可以防止靜電輻射到內部，起到防止靜電放電的作用。設計時，一是盡可能保持機殼導電的連續性 , 二是對一些工作頻率比較低的敏感電路采用單點接地的方式，接地線盡量短而粗，敏感電路遠離機殼孔。

塑料機殼，優點是不會產生接觸放電的現象，因為縫隙部分有可能會流入放電火花，可以使用減小縫隙寬度，延長縫隙深度，施加薄膜阻隔層的設計

復合材料，綜合金屬盒塑料的優點，一般采用金屬鍍絕緣層的做法。

靜電放電測試與設計

電子設備靜電放電保護設計

靜電放電抑制電路的設計：

對于電氣，電子設備來講，電源線，信號線的輸入輸出端口施加防靜電保護電路是非常重要的設計，由于靜電放電上升時間很短，因此要求抑制器件的快速反應能力很高，一般建議小于0.2ns，常見的器件有壓敏電阻，TVS，TSS等等

靜電放電測試與設計

電子設備靜電放電保護設計

PCB的抗靜電設計：

優先選擇有內嵌ESD保護電路的集成電路優先選擇SMD器件；

多用上拉下拉電阻，可降低ESD對高輸入阻抗電子電路的沖擊。

保護器件的連線盡可能短，交叉方式。

集成電路不用的輸入端不允許處于懸浮狀態

布線方面，主要考慮減小印刷電路板的阻抗，縮小敏感信號的環路面積，加強屏蔽，增加靜電保護環設計，包圍整個功能電路，在插頭處與子板的接地線連接。

電路保護技術及器件的發展情況

電路保護的歷史由來已久，美國著名科學家富蘭克林1752年發明的避雷針就可以看做是最早的電路保護措施，愛迪生1882年為保護紐約珍珠街全球第一所商業電站設備和系統的可靠運行發明了插塞式熔絲，可以視為最常用的電路保護器件。 19世紀末出現了放電保護間隙器，20世紀50年代出現碳化硅避雷器，70年代末出現氧化鋅避雷器，到目前多種多樣的電路保護器件，壓敏電阻，瞬態抑制二極管 , 氣體放電管，半導體放電管，PPTC等等。

電路保護器件

A.提供高品質的保護器件 B.免費提供可靠的設計方案

C.為用戶提供方案評測、探討 D.免費提供的驗證服務

過壓保護系列

過流保護系列

PPTC fuse NTC

GDT SPG TSS

TVS ESD MOV

電路保護器件介紹

GDT/SPG

氣體放電管是一種陶瓷或玻璃封裝的、內充低壓惰性氣體的短路型保護器件，一般分兩電極和三電極兩種結構。其基本的工作原理是氣體放電。當極間的電場強度超過氣體的擊穿強度時，就引起間隙放電，從而限制了極間的電壓，使與氣體放電管并聯的其它器件得到保護。可分為二極和三極兩種。

電路保護器件介紹

GDT/SPG

陶瓷氣體放電管具有通流量大（KA級），漏電流小，寄生電容小等優點，缺點是其響應速度慢 (μs級），動作電壓精度低，有續流現象。適用于粗保護或者初級保護。

玻璃放電管有陶瓷放電管的優點，同時響應速度較快（ ns級），但其通流量比陶瓷的小，且直流擊穿電壓分散性較大。

選型方法： min（UDC）≥1.25*1.15Up 1.25是安全余量，1.15是電源波動系數。

特性曲線 相關應用

電路保護器件介紹

MOV

壓敏電阻的意思是“在一定的電流電壓范圍內電阻值隨電壓而改變，或者說電阻值對電壓敏感 ”的電阻器。它的特性與兩只背對背連接的硅穩壓二極管非常相似 , 有著毫微秒級的響應速度。它對瞬變干擾的抑制是通過箝位方式來實現的，對線路有危害的這部分能量將被壓敏電阻通過轉化成熱量的形式來吸收掉。

7D, 10D, 14D …34S等是常用的插件類壓敏電阻，0805, 1206封裝的是常用的貼片類壓敏電阻。

電路保護器件介紹

MOV

壓敏電壓優點是價格便宜，通流量大，響應速度快，缺點是寄生電容大，不適合用在高頻電路中。壓敏電阻器廣泛應用于家用電器及其它電子產品中，起過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導體元器件等作用。

壓敏電壓的選擇：交流電路其最小值一般選擇被保護設備電壓2-3倍，直流電路選取為工作電壓的1.8-2倍。

由于壓敏制作時可能存在微小缺陷，或者當承受不同電流沖擊，造成管芯的壓敏電阻體分布不均，一些部位電阻會降低，導致漏電流增加，最終導致薄弱點微融化，最終導致老化。所以一般串接熱熔點來避免。

壓敏可串并聯使用。

電路保護器件介紹

TVS

瞬變電壓抑制二極管是在穩壓管工藝基礎上發展起來的一種新產品，當TVS管兩端經受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度（最高達1*10-12秒）使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態高能量的沖擊而損壞。與普通的二極管相比，結面積大，加入了特殊材料制成的散熱片。

TVS產品型號豐富，功率從200W的SMF系列到6600W的SM8系列，貼片和插件的封裝都有，關斷電壓從5V到440V，可以滿足各種需求。

電路保護器件介紹

制作簡要工藝流程

PMC

高溫固化

Die Attach芯片粘接

Wire Bond引線焊接

Plating電鍍

Molding塑封

Test

測試

Trim & Form切筋成型

電路保護器件介紹

解剖顯影圖 （一）

偷工減料

正常產品

電路保護器件介紹

解剖顯影圖 （二 ）

電路保護器件介紹

TVS

特點：可分為單雙向，響應時間快、漏電流低、擊穿電壓誤差小、箝位電壓較易控制、并且經過多次瞬變電壓后，性能不下降，可靠性高，體積小、易于安裝。

缺點是能承受的浪涌電流較小，且功率大的寄生電容也大，低電容的功率較小。適用于細保護或者二級保護。

選型注意，單雙向，電壓，功率，電容都要考慮到。

電路保護器件介紹

ESD

隨著手機、數碼相機、MP3播放器和PDA等手持設備低成本小體積化，集成電路設計工程師通過在減少硅片空間大小的同時提高設備的速度和性能，以此來推動這一趨勢。而代價就是IC功能尺寸的減少使得器件更易受到ESD電壓的損害。這種趨勢對終端產品的可靠性會產生不利的影響，并且會增加故障的可能性。

目前的ESD保護器件，適用于CAN ，LAN ，485 ，232 ，USB ，HDMI等等各類情況的應用，符合IEC 61000-4-2 ，level 4認證。

ESD保護器件分為兩種，一種為TVS列陣，其特點是響應時間快、鉗位電壓偏差小、結電容小、反向漏電流小和無壽命限制等優點，適合于信號質量要求高、線漏電要求小等接口的ESD防護，比如高速數據信號傳輸線、時鐘線等。一種為壓敏電阻，擊穿電壓VBR和箝位電壓VC都相對高，通流能力相對強，具有更強的浪涌脈沖吸收能力，因而較適合于電源接口的ESD或浪涌防護。

電路保護器件介紹

TSS

半導體過壓保護器是根據可控硅原理采用離子注入技術生產的一種新型保護器件 , 具有精確導通、快速響應（ ns級）、浪涌吸收能力較強、雙向對稱、可靠性高等特點。其浪涌通流能力較同尺寸的TVS管強，但開關型保護器件都有續流問題 。TSS有貼裝式、直插式和軸向引線式三種封裝形式。在通訊行業使用的比較多

。

電路保護器件

PPTC自恢復保險絲

PPTC采用高分子有機聚合物在高壓、高溫，硫化反應的條件下，攙加導電粒子材料后，經過特殊的工藝加工而成。傳統保險絲過流保護，僅能保護一次，燒斷了需更換，而自恢復保險絲具有過流過熱保護， 自動恢復雙重功能。

PPTC插件類的耐壓值有6V ，16V ，30V ，60V ，72V ，250V ，600V ，電流從75mA到14A 。貼片系列的有0603 ，0805 ，1206 ，1210 ，2018 ，2920封裝。

PPTC可重復多次使用，上圖為其動作后電阻隨時間變化示意圖，電阻一般在十幾秒內即可恢復到初始值1.6倍左右。

特性曲線

各類保護器件特點

100KA

10KA

1KA

100A

MOV GDT SP

案例分析

低壓直流保護方案

案例分析

USB靜電防護方案