- 電路保護(hù)的必要性-電氣威脅
- 保護(hù)器件的測試標(biāo)準(zhǔn)
- 保護(hù)器件比較
- ONSEMI ESD保護(hù)技術(shù)的演進(jìn)
- ESD保護(hù)器件實(shí)例
電路保護(hù)的必要性-電氣威脅
靜電放電(ESD)
在我們?nèi)粘Ｉ钪徐o電放電(ESD)是相當(dāng)常見的。比如走在地毯上或者觸摸門上的把柄就會感覺到靜電的嗖嗖聲沖擊。當(dāng)你在干衣機(jī)里拿取洗好的衣服，就經(jīng)常會伴隨著干脆的聲音， 這個(gè)你聽到或者感覺到的聲響就是靜電放電的結(jié)果。當(dāng)不同材料互相分離時(shí)電子會發(fā)生轉(zhuǎn)移，物質(zhì)分離后會產(chǎn)生靜電荷，這個(gè)過程就叫做摩擦起電。一些物體，比如說干皮膚和羊毛，都會變得帶正電荷；或者其它如聚酯，乙烯基帶負(fù)電荷。
當(dāng)一個(gè)摩擦起電的物體釋放它的電荷突然給另一個(gè)不同電位的物體時(shí)，靜電放電效應(yīng)就會發(fā)生。摩擦起電的物體之間的電位差可以達(dá)到很高，一個(gè)人的靜電放電效應(yīng)的檢測極限電壓大約為3,000 V。一個(gè)強(qiáng)烈的ESD攻擊往往是這個(gè)電壓數(shù)字的好幾倍。
閃電
閃電通常是危險(xiǎn)的。它的平均電流峰值是20 kA并且可高達(dá)150 kA。一次閃電可以持續(xù)20-200毫秒，而通常閃電會是連續(xù)閃幾次的。閃電也是常見的，在任何一個(gè)時(shí)間都有2,000個(gè)帶閃電的暴風(fēng)雨在發(fā)生，而每天出現(xiàn)的暴風(fēng)雨也有5,000次。閃電中的電應(yīng)力除直接撃中建筑物, 還可以不同方式進(jìn)入建筑物的電氣系統(tǒng)。閃電撃中架空的主輸電線可以直接把電流偶接進(jìn)入建筑物中的交流點(diǎn)導(dǎo)體中去。附近小山上發(fā)生的閃電可以迫使強(qiáng)大的電流在地面上流動。這些電流將影響建筑物附近的地電位。同時(shí)這種情況可會由于地面下面的設(shè)施比如接地到建筑物中的水氣管道等而變差。在建筑物旁的旗桿的閃電可以在建筑物內(nèi)的導(dǎo)體比如電話或連接個(gè)人電腦的電線中誘發(fā)電流。閃電帶來的應(yīng)力可以以各種方式進(jìn)入建筑物說明了在多種地點(diǎn)中安裝浪涌保護(hù)的必要性。浪涌保護(hù)需安裝在建筑物的交流電源及電話服務(wù)的進(jìn)入點(diǎn)。而在一些比較敏感的電子設(shè)施比如個(gè)人電腦或者娛樂中心安裝更多的浪涌保護(hù)設(shè)備也是物有所值。
電力線浪涌
電力交流電網(wǎng)為我們的家和辦公室提供交流電源。電力公司致力于在穩(wěn)定的電壓和頻率提供電力，但是即便是最費(fèi)盡心血的安排也不能防止一些異常的事件。電壓的強(qiáng)弱會受影響于交流電網(wǎng)上負(fù)載的變化。大多數(shù)的電氣設(shè)備都被設(shè)計(jì)成可以在一個(gè)合理的輸入電壓范圍內(nèi)工作，但總會有出現(xiàn)意外情況的電平，特別是由于大電流開關(guān)所引起的瞬變現(xiàn)象。一個(gè)電感性負(fù)載里電流的變化將會引起一個(gè)電壓峰值，這個(gè)峰值可以達(dá)到幾百甚至幾千伏的電壓。它的持續(xù)時(shí)間可能很短，但是它卻大大超過了電氣系統(tǒng)的存續(xù)，除非設(shè)備中含保護(hù)器件。
保護(hù)器件的測試標(biāo)準(zhǔn)
系統(tǒng)所經(jīng)歷的電氣應(yīng)力是各種各樣的: 有納秒上升時(shí)間且持續(xù)數(shù)以10計(jì)的安培電流的靜電放電(ESD)應(yīng)力；有微秒上升時(shí)間且持續(xù)數(shù)以萬計(jì)的安培電流的閃電應(yīng)力。對可以想到的現(xiàn)實(shí)世界中的每一種應(yīng)力都進(jìn)行產(chǎn)品測量是不可能的。所以標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)制定了針對每個(gè)特定的應(yīng)力威脅制定了專門的測試標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)以電壓和電流波形的形式來表示應(yīng)力。最常見的一種應(yīng)力波形就是圖示的雙指數(shù)波形。典型的電壓波型是被理解成開路，而典型的電流波型是被理解為短路。通常一個(gè)波形的參數(shù)包括峰值電壓、峰值電流、上升時(shí)間(通常是峰值時(shí)間的10%到90%)以及衰減時(shí)間(峰值時(shí)間的50%)。標(biāo)準(zhǔn)同樣規(guī)定了如何把應(yīng)力波形應(yīng)用到實(shí)際的被測試的設(shè)備以及通過或者未通過測試的準(zhǔn)則。這就確保了測試結(jié)果可以被任何一個(gè)做此種測試的人重現(xiàn)出來，并且通過這個(gè)測試的系統(tǒng)可以可靠地工作。
圖示：雙指數(shù)波形
保護(hù)器件簡介
市場上有一系列對電子系統(tǒng)起保護(hù)作用的產(chǎn)品。下表簡單描述了各種產(chǎn)品的特征。
氣體放電電子管GDT:通常是充滿氖、氬氣體混合物的陶瓷品以及兩個(gè)或更多個(gè)電極組成的。當(dāng)電極的電壓超過一個(gè)額定值，電子管就會產(chǎn)生一個(gè)電弧，提供一個(gè)低阻抗電流通路。放電管常用于多級保護(hù)電路中的第一級或前兩級，起泄放雷電暫態(tài)過電流和限制過電壓作用。電壓范圍從75V~3500V 。
壓敏電阻MOV:通常由布滿氧化鋅顆粒的陶瓷組成,在低電流電壓下，壓敏電阻具有高阻抗,但是在更高的電壓電流下，阻抗會急劇地下降。使用壓敏電阻時(shí)之前必須加裝保險(xiǎn)絲，壓敏電阻一但擊穿短路是不可恢復(fù)的，必須更換。正常的壓敏電阻用萬用表測量是無窮大的。
聚合體PESD 器件:是在聚合物中嵌入導(dǎo)體、半導(dǎo)體及絕緣粒子構(gòu)成的高分子壓敏材料。其電阻隨兩端電壓呈非線性變化。也就是說，當(dāng)施加在其兩端的電壓小于某個(gè)特定電壓值時(shí)，PESD呈現(xiàn)為絕緣體，電阻很大，不影響電路的正常工作;當(dāng)施加在兩端的電壓大于某個(gè)特定電壓值時(shí)，PESD轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，電阻很小，可以短時(shí)間大電流放電，因此可與被保護(hù)IC并聯(lián)使用。同時(shí)這種PESD靜電防護(hù)元件具有自恢復(fù)性，即過電壓放電之后又恢復(fù)到常態(tài)，不必更換，可有效阻止電子產(chǎn)品的靜電破壞并降低維護(hù)成本。PESD保護(hù)器件具有極低的電容(約為0.2 pF)、低的泄漏電流(這在低功耗便攜式設(shè)備中尤為重要)、快速響應(yīng)時(shí)間(<1 ns)和低鉗位電壓(<100 V)等優(yōu)點(diǎn); 在多次電涌之后(多達(dá)1000次)，這種器件的低觸發(fā)電壓和低鉗位電壓仍然可以有效保護(hù)敏感的電子器件。
晶閘管浪涌保護(hù)器件TSPD:基于一對雙極性晶體管。當(dāng)雙極性晶體管被觸發(fā)時(shí)，它們呈現(xiàn)連續(xù)的低阻抗?fàn)顟B(tài)。晶閘管本質(zhì)上是單向的過壓保護(hù)器件。基本的晶閘管已經(jīng)衍生出了多種雙向和單向的產(chǎn)品。
瞬態(tài)電壓抑制器(TVS):是基于雪崩二極管和穩(wěn)壓二極管。單一的二極管本質(zhì)上是單向的鉗位設(shè)備。
保護(hù)器件比較
保護(hù)方式-嵌位/消弧
鉗位保護(hù)器件：當(dāng)一個(gè)激勵突發(fā)時(shí)，鉗制電位到一定值達(dá)到保護(hù)的目的；如TVS管
消弧保護(hù)器件：當(dāng)一個(gè)激勵觸發(fā)時(shí)，通常是產(chǎn)生一個(gè)短路通道來實(shí)現(xiàn)保護(hù)目的。如晶閘管浪涌保護(hù)器件TSPD
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消弧保護(hù)器件在保護(hù)應(yīng)用中是非常有效。消弧保護(hù)器件有著非常低的導(dǎo)通壓降，這樣可以使得其電壓低于敏感電子器件的臨界電位；并且由于過壓保護(hù)器件本身超低的功耗，其可以承受很大的電流而不會由于大電流對自己損壞。我們在用消弧保護(hù)器件的時(shí)候必須小心。可以用來維持消弧保護(hù)器件的最低的電流和電壓點(diǎn)是一個(gè)很重要的參數(shù)并且我們經(jīng)常稱之為保持點(diǎn)(Holding
Point），如圖所示。如果受保護(hù)的電氣節(jié)點(diǎn)可以提供電壓和電流在保持點(diǎn)的水平，在電氣應(yīng)力消除后一個(gè)消弧保護(hù)器件也可能不會關(guān)閉。仔細(xì)選擇消弧保護(hù)器件是必須的，或者預(yù)先做好準(zhǔn)備，以保證在應(yīng)力消除時(shí)關(guān)閉保護(hù)和在正常操作期間不打開。
圖示：雙向消弧保護(hù)器件(黑色)和單向鉗位保護(hù)器件(紅色)的I-V曲線
電壓鉗位保護(hù)器件在應(yīng)力時(shí)不會發(fā)生不關(guān)閉的問題，但是他們也要仔細(xì)選擇。以反向偏置方向保護(hù)的電壓鉗位保護(hù)器件自身內(nèi)部會產(chǎn)生相當(dāng)可觀的功耗。鉗位保護(hù)器件在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)需要非常低的動態(tài)阻抗，以保證在傳輸大電流時(shí)，電壓不會超過敏保護(hù)形式-初級和次級保護(hù)
圖示：進(jìn)入樓宇內(nèi)一條簡單數(shù)據(jù)線路的初級和次級保護(hù)
初級和次級保護(hù)的應(yīng)用非常普遍。這個(gè)概念在電信產(chǎn)業(yè)中用于閃電和浪涌保護(hù)，也在先進(jìn)集成電路技術(shù)中做靜電放電(ESD)保護(hù)。初級的保護(hù)元件較貼近應(yīng)力源，主要目的是用于承受大部分的電流應(yīng)力，而次級保護(hù)元件則非常貼近敏感的電路元件，在最需要的地方提供保護(hù)。
需要兩種形式的保護(hù)的有多項(xiàng)因素。在一條數(shù)據(jù)線當(dāng)中，比如電話線，浪涌保護(hù)最重要的作用是避免災(zāi)難性的損失，如火災(zāi)或者觸電死亡。這就在樓宇入口有一個(gè)保護(hù)元件，即初級保護(hù)。初級保護(hù)的元件必須非常的可靠并且能夠經(jīng)受得住很大的電流。初級保護(hù)避免災(zāi)難性損失的能力并不保證瞬變電壓不通過初級保護(hù)，這些電壓雖不能引起火災(zāi)或者觸電死亡，但是足以破壞敏感元件。安置在敏感元器件的次級保護(hù)就是起到了這個(gè)作用。次級保護(hù)元件必須很快地開啟來保護(hù)從初級通過的瞬變電壓。次級保護(hù)元件也可能在給定受保護(hù)的系統(tǒng)根據(jù)客戶的保護(hù)需求來配置。硅保護(hù)產(chǎn)品，由于他們的快速導(dǎo)通和低導(dǎo)通電壓優(yōu)勢, 作為次級保護(hù)元件最好不過。
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ONSEMI保護(hù)器件
ONSEMI ESD保護(hù)技術(shù)的演進(jìn)
硅瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管的傳統(tǒng)片外保護(hù)解決方案提供低ESD鉗位電壓和快響應(yīng)時(shí)間，但它們的高電容限制了其在高速應(yīng)用中的使用。為了克服傳統(tǒng)硅TVS二極管的這些局限，安森美半導(dǎo)體運(yùn)用突破性的工藝技術(shù)，將超低電容二極管和大功率TVS二極管集成到單個(gè)裸片上，能夠用作高性能片外ESD保護(hù)解決方案。這新的集成型ESD保護(hù)技術(shù)平臺既保留了傳統(tǒng)硅TVS二極管技術(shù)的卓越鉗位和低泄漏性能，又將電容從65 pF大幅降低至0.5 pF。
ONSEMI音頻信號濾波帶ESD保護(hù)
ONSEMI數(shù)據(jù)信號濾波帶ESD保護(hù)
ONSEMI ESD保護(hù)二極管陣列
ONSEMI 瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)
ONSEMI晶閘管浪涌保護(hù)器件TSPD簡介
晶閘管浪涌保護(hù)器件Thyristor Surge Protection Devices (TSPD)具有快速開關(guān)能力和高可靠性，可保護(hù)電信和數(shù)據(jù)通信設(shè)備。在待機(jī)模式，TSPD的關(guān)斷阻抗高，對所保護(hù)的電路表現(xiàn)出實(shí)際上的斷開狀態(tài)。當(dāng)電壓超過臨界電壓時(shí)，TSPD從高關(guān)斷阻抗轉(zhuǎn)變成低導(dǎo)通阻抗，吸收浪涌電流。在分支和環(huán)狀電路發(fā)生瞬態(tài)浪涌期間，TSPD會在分支和環(huán)狀電路產(chǎn)生短路跨接，直到瞬態(tài)電流中斷或減小到保持電流以下，器件會自動復(fù)位。TSPD采用消弧電路開關(guān)及固態(tài)閘流管技術(shù)，保護(hù)靈敏度達(dá)納秒級，消除了瞬態(tài)引起的電壓擊穿。它們可承受高達(dá)100A的浪涌電流，沒有磁滯現(xiàn)象和熱耗。這些閘流管的最小電容可減小高速數(shù)據(jù)線路中的信號衰減。ONSEMI目前有MMT系列，NP系列，NP-SAMC系列,NP-SBMC系列晶閘管浪涌保護(hù)器件, MMT系列可被NP系列替代，NPxxSAMC系列，NPxxSBMC系列是新一代超低電容TSPD，廣泛應(yīng)用于電信設(shè)備。
ONSEMI晶閘管浪涌保護(hù)器件(TSPD)主要參數(shù)
ONSEMI晶閘管浪涌保護(hù)器件NP系列
特點(diǎn)：
1. 可承受高達(dá)100A的浪涌電流
2. 峰值斷態(tài)電壓可達(dá)320V
3. 廣泛應(yīng)用于電信設(shè)備
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ONSEMI晶閘管浪涌保護(hù)器件NPxxSAMC系列
特點(diǎn)：
1.超低電容
2.低的漏電流
3.浪涌電流高達(dá)50A
4.精確的開啟電壓
5.低的過沖電壓
ESD保護(hù)器件實(shí)例
