瞬态过压问题的本源

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1、瞬态过压问题的本源瞬态过压问题的本源 危害综述危害综述 以浪涌电压形式出现的电气瞬态现象一直存在于配电系统中， 而在半导体器件应用之前， 电 气瞬态现象没被重视。 1961 年，美国贝尔实验室首次研究了半导体在雷击中的易损性。1稍后的一篇报告尝试确 定了特定的半导体在静电放电还没有造成潜在或灾难性损坏的情况下， 能够吸收的能量的数 值。2尽管已经有了这些早期的警告，但是直到 20 世纪 70 年代后期，业界才开始圆满地 处理这个问题。 所有的电气和电子设备都可能被电压瞬态过程损坏。 不同之处是在损坏发生之前， 它们所能 够吸收的能量大小。由于许多现代半导体器件，比如低压 MOSFET 以及集成

2、电路(IC)，可 能被只超过 10 伏(V)的电压波动损坏，因此它们在无保护环境中的存活性很差。 在许多情况下， 随着半导体器件的演进， 它们的耐用性下降了。 生产更快更小的器件的趋势， 以及 MOSFET 和砷化镓 FET 技术的广泛应用增加了易损性。高阻抗输入和小的结尺寸限 制了这些器件吸收能量和传导大电流的能力。 因此， 需要使用专门用来应对这些危害的器件 来保护这些脆弱的电子元件。 选择恰当的保护方法应当建立在对过压危害潜在来源进行仔细调查的基础之上。 不同的应用 和环境会带来不同的过压来源。这些来源可能是外来的，也可能是电路内部的。 雷电雷电 在任何给定时刻，世界上都有 1,800

3、场雷雨正在发生，每秒大约有 100 次雷击。在美国， 雷电每年会造成大约 150 人死亡和 250 人受伤。在雷电发生频率呈现平均水平的平坦地形 上，每座 300 英尺高的建筑物平均每年会被击中一次。每座 1,200 英尺的建筑物，比如广 播或者电视塔，每年会被击中 20 次，每次雷击通常会产生 6 亿伏的高压。 每个从云层到地面的闪电实际上包含了在 60 毫秒间隔内发生的 3 到 5 次独立的雷击，第一 次雷击的峰值电流大约为 2 万安培，后续雷击的峰值电流减半。最后一次雷击之后，可能 会有大约 150 安培的连续电流，持续时间达 100 毫秒。 经测量，这些雷击的上升时间大约为 200 纳

4、秒或者更快。通过 2 万安培和 200 纳秒，不难 计算得到dI/dt的值是每秒 1011安培！如此大的数值意味着瞬态保护电流必须使用射频（RF） 设计技术，特别是需要考虑导体的寄生电感和电容。 尽管这个峰值能量特别引人注目， 但实际上是持续时间较长的电流携带了云层和地面之间传 输的大部分电荷。 经过多次现场测量建立的典型雷电模型如图 1 所示。 图 1 带有以及不带有持续电流情况下的典型雷电模型 根据很多条件的不同，在雷击中可能有也可能没有持续电流。严格的雷电模型也建立起来， 它可以给出在非常靠近雷击的位置在最坏情况下的预期强度的读数。图 2 显示了这个模型。 注意，在多个时间段内出现了持续

5、电流，大大加剧了预期的损坏。严重的雷击很可能点燃易 燃性材料。当然，被雷电直接击中是非常严重的事情而且很可能是不可恢复的。事实上，一 定距离之外雷击的电场强度可能已经足够给半导体设备造成灾难性或者潜在损坏。 试图保护 设备不受附近雷击的损坏比指望逃过直接的雷击是更加现实际的冒险。 图 2 严格的雷电模型 考虑到这一点，重要的是能够将感应电压定量表示为与雷击地点之间距离的函数。如图 3 所示，这些感应电压可以很高，这解释了为什么相对较远的闪电也会破坏设备。 图 3 附近雷击引起的感应电压 掩埋电缆无法提供很好的保护，因为地球对雷电的辐射电场几乎是透明的。事实上，地下的 电线比架空电缆更容易遭雷击

6、。3 针对这些危害进行的防护是有线通信必须要做的事情。 初级保护设备， 比如炭块和气体放电 管(GDT)，在历史上提供了一定程度的安全性。次级和板级保护成为包括晶闸管浪涌保护器 件（TSPD）在内的多种半导体器件的研究领域。它们被用在连接到电话总局线卡或者调制 解调器等设备的长距离线路的末端。 TSPD 保护器件和技术将在这份文档后面的章节中进行 详细讨论。 电源电路中的负载转换电源电路中的负载转换 感应转换瞬态过程发生在电抗性负载 （比如电动机、 螺线管或者继电器线圈） 被关闭的时候。 快速消失的磁场在电抗性负载线圈的两端感生出了瞬态电压，这个电压可以表示为： V=-L(dI/dt) 其中

7、L 是电感，以亨利(H)为单位，dI/dt 是电流的变化率，单位是安培/秒。 这样的瞬态可能是由电源故障， 开关的正常开启或者负载故障引起的。 与这个瞬态有关的能 量是电源中断时存储在电感中的能量，也就是： = 1/2 Li2 其中 是能量，单位是焦耳；I 是电源中断时的瞬时电流，单位是安培。 例如，当油炉的点火系统被点燃，可能会在 120 V 的交流（Vac）供电线路中注入峰值为 1.42.5 千伏（kV）的瞬态电压。已经证实，这些线路上存在的瞬态电压可能会高达 6 kV。 在没有瞬态保护器件的地方，最大瞬态电压被线路的绝缘击穿限制在 6 kV 左右。 感应转换瞬态过程是半导体器件的隐形杀手

8、， 因为它们的发生通常没有外在的迹象。 一个较 生动的例子是，某大型电梯公司指出 1,000 V 的整流器在供电中断中失效。在另一个地区， 较远地区的 20 马力（HP）水泵电机供电中断直接导致同一站点上的敏感监视设备失效。4 国际电工委员会（IEC）现正推广他们的 IEC 61000-4-4 规范。这个规范描述了感应转换瞬 时电压威胁有 50 纳秒宽的尖峰，幅度从 2 kV 到 4 kV，它们出现在 300 微秒宽的猝发脉冲 之中。 除了这些具体的管理规范之外， 还存在许多其他与应用相关的功能性测试。 瞬态电压抑制器 （TVS）元件供应商或许会完成其中的大部分测试。这些元件必须坚固耐用，因为

9、危害是动 态的而且通常是重复出现的。TVS 保护器件和技术将在本文档的第 2 章中详细论述。 静电放电（静电放电（ESD） 静电放电（ESD）是在许多半导体器件的生产、运输和处理的过程中普遍认识到的危害， 特别是对于那些含有未受保护 MOSFET 的半导体器件，用于微波频段以及转换时间不超过 2 纳秒的超高速逻辑的半导体。为了应对这种威胁，大多数半导体惯常都装在由导电材料做 成的容器内进行运送。 这种技术实际上在器件引脚之间保持了一个共模电压， 消除了所有的 电压差。 除了各种货物付运预防措施之外， 工人应当将电子装配线接地， 使用具有接地功能的焊接烙 铁， 电离气体吹风机以及其他技术来防止大

10、电压的形成以及对所处理的半导体可能出现的放 电。设备的测试是另一个可能出现静电积累和放电的机会。 器件制造完成并投入正常工作之后，仍然可能发生 ESD 损坏。任何人在地毯上滑了一下并 触碰到计算机键盘都有可能导致软件失效，更糟糕的是可能损坏计算机硬件。 ESD 所涉及的电气波形是一个短暂的脉冲， 上升时间大约 1.0 纳秒， 持续时间为 100 到 300 微秒。天气晴朗时，峰值电压可以高达 30 kV，但更常见的是 0.55.0 kV。发生在手持工具 尖端的放电的上升时间最快，而指端以及手掌边缘的放电要稍微慢一些。5 根据下面的公式，一个正常人的身体电容是 150 皮法(pF)，如果充电 3

11、 微库仑(C)，将产 生 20 kV 的电压： V=Q/C 其中 V 是电压，Q 是电荷而 C 是电容。放电所释放的能量是： = CV2 其中 是能量，以焦耳为单位；C 是电容而 V 是电压。 有趣的是，2,500 V 的脉冲足以破坏大多数的微电子电路，但是人却无法感觉到 3,500 V 以 下的静电火花！ 保护器件，又称静电放电保护器件（ESD 保护器件）体积小而且不贵，它是预防 ESD 的有 效保障，特别是对于那些人体可能触碰到的数据端口和其他引脚连接。ESD 保护器件和技 术将在本文档的第 2 章中进行详细论述。 功率交叉功率交叉 另一种电气过压源是信号线的意外连接， 比如电话或者有线电

12、视意外连接到交流或直流电源 线。严格地说，这种称为功率交叉(power cross)的现象是一种连续状态，而不是瞬态。确 保信号电子电路在发生功率交叉后不被破坏的技术类似于用于预防瞬态过压的技术。因此， 我们在这里提到了功率交叉。 其它过压危害其它过压危害 还存在其他的应力源，由于它们的性质较特殊，这里就不进行详细的讨论了。微波辐射可以 干扰大功率微波发射器附近的电子电路。 太阳黑子向外发射电磁波且已被证实会对敏感设备 造成干扰，特别是在它们以 11 年为周期的高峰期内。 应力波形应力波形 双指数波形双指数波形 人们已经开发了许多工业标准来指导对暴露在雷电、 转换浪涌、 静电放电以及其它类型的

13、应 力中的系统进行的测试。第 3 章将讨论其中的一些标准。大多数标准使用类似的应力波形， 下面将针对其中的一些进行讨论。 最常用的波形是图 4 所示的双指数波形。 图 4 双指数波形 不同的标准所定义的细节可能稍有不同，但是大多数都含有与类似表 1 所列的参数。双指 数波形这种特定标准通常使用（上升时间/持续时间）这种简略方式来表示，其中时间的单 位是微秒。 表 1 用于表示双指数波形的参数 参数参数 测量条件测量条件 说明说明 峰值电压 接开路 双指数波形的峰值电压 峰值电流 接短路 双指数波形的峰值电流 上升时间 开路和/或短路 上升时间通常是从峰值电流的 10%上升到 90% 的时间。有

14、些标准所定义的波前时间是上升时间 乘上一个 1 到 2 之间的修正系数。 持续时间 开路和/或短路 从脉冲出现一直到脉冲衰减到峰值电流或电压 的 50%的时间。 表 2 常见的双指数波形 波形（上升时间 （微秒）/下降时 间 （微秒） ） 说明 混合波形 这种波形对开路和短路测量具有不同的上升时间和下降时 间定义 1.2/50 接开路测得 8/20 接短路测得 2/10 电压和电流具有相同的上升和下降时间 10/160 10/250 10/360 10/560 10/700 10/700 是接开路的电压，接短路的规格是 5/310 10/1000 对电压和电流具有相同的上升和下降规范 100

15、kHz 环形波环形波 环形波(ring wave)被用来模拟快速事件，比如感应耦合的电流、雷电快速前沿的电压或者接 入电力系统的电容器组。它的波形如图 5 所示。环形波通常会扰乱系统而不会造成物理损 坏，它并不是单独用于浪涌保护器件中的。 图 5 100 kHz 环形波（引自 IEEE C62.41.2-2002） 电气快速瞬态现象电气快速瞬态现象 电气快速瞬态现象（EFT）波形用来测试系统对干扰的抵抗能力。它不表示一种特定的浪涌 环境。由于它是专门用于系统中断的，所以这种应力不适用于受应力的元件。这种应力是由 持续时间短、上升时间快、如图 4 所示的双指数脉冲以猝发形式重复而形成的。每个脉冲

16、 从 10%到 90%的上升时间是 5 纳秒而 50%到 50%的持续时间是 50 纳秒。猝发脉冲模式如 图 6 所示。 图 6 EFT 猝发脉冲模式 浪涌波形的应用浪涌波形的应用 浪涌波形与待测试系统之间的耦合有许多的变化， 而本文不能给出完整的说明。 这里将讨论 一些基本概念。事实上，所有的测试都是基于特定的测试标准进行，而标准则给出了详细的 说明。 浪涌可以应用在功率和数据线路上。 需要考虑的因素是类似的。 测试装置必须能够将应力传 递到进行测试的系统， 而不能干扰应用应力之前或之后系统的工作。 测试装置也必须防止对 运行待测试系统所需的电子电路造成损坏或者干扰。结合使用耦合网络和去耦网络实现的， 耦合网络将应力应用到待测试系统中，而去耦网络防止对辅助设备的损坏或干扰。图 7 所 示的例子将应力施加在一组数据线上。图 7 所示的网络让应力施加在任何一根数据线和另 一根数据线之间或者与地之间。 并联的电容和浪涌放电器将压力注入系统之中。 大多数情况 下不存在浪涌放电器， 而浪涌是电容性耦合到系统中的。 高速率数据