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1、瞬时过电压对微电子装置的危害及防范措施山东莱芜钢铁集团动力部 周志敏摘要：文中阐述了瞬时过电压的产生，分析瞬时过电压对微电子装置的危害。根据瞬时过电压的特性，提出微电子装置对瞬时过电压的防范措施。关键词：瞬时过电压 危害 防范措施1 概述 微电子装置在我国各行业的应用日益广泛，推动我国控制技术向着国际水准发展，并在部分领域已达到或接近世界先进水平，使我国控制技术进入智能时代，使工业产品以高质量、高可靠、高效益、高节能为其追求的目标。要实现上述“四高”目标，即需普遍采取三种自动化战略：采用先进的生产制造技术，实现信息管理自动化及开发市场自动化，促进国民经济的高速发展。自动化控制技术的进步，有着巨
2、大的经济效益和社会效益。但随着我国经济建设的高速发展，供电网上的用电负荷发生了较大的变化，如在冶金行业随着生产规模的扩大，电弧炉的吨位也在不断增大（已达150吨以上），大型初轧机组的电机单机容量的增大（已达10000KW以上）及在全国推广交流变频技术，由于其负荷的非线性和操作的频繁性，将产生很大的电压、电流变化率及一定的高次谐波，给电力网造成“污染”。由于供电回路电压、电流瞬变产生的瞬变电磁场将对邻近回路产生感应过电压，而大气雷电流的瞬变磁场也将产生感应过电压，都将直接影响微电子装置的安全可靠运行。为此分析瞬时过电压产生机理，而采取相应的防范措施，是保证微电子装置可靠安全运行的有效手段。因瞬时
3、过电压的产生是随机的，对其防范措施的制定，是集电气工程学、电力电子技术、电磁场理论等多学科的综合运用，才得使其在工程应用中取得良好的效果。2 瞬时过电压的产生及危害 瞬时过电压是回路电压的瞬间突然升高，其幅值可达回咱额定电压的若干倍，但其持续时间很短，常以微秒来计。它的电压峰值极高，波形很陡，但平均功率甚小。一般引起瞬时过电压有大气雷电感应过电压和操作过电压两类最为常见，而这两类感应过电压对微电子装置的危害也最大，因此对这两类感应过电压的产生机理作以分析。2.1大气雷电感应过电压 由于避雷针的引雷作用，所以雷击次数就会提高，当雷电被吸引到针上，在强大的雷电流沿针至引线而流入大地过程中，雷电流流
4、经的导体周围形成的强大的瞬变磁场，将对邻近的回路产生感应过电压，其过电压的幅值与雷电流的大小及变化速度成正比，与雷击的距离成反比。2.2操作过电压 在操作载有大电流，并具有大电感及大的储能电容器的电路时，在能量转换（切换）过程中，将产生很大的电压及电流变化率，而产生的瞬变的磁场，对邻近的回咱产生感应过电压。由于真空开关本身的特性，在其操作瞬间将引起截流过电压和三相同步开断过电压及重燃过电压，其过电压的幅值，最高时可达到额定电压的4-5倍，并且有变化率快，时间短，随机性大等特点。3 瞬间过电压的危害 由于微电子装置应用于工厂生产过程自动化控制和智能建筑中，其硬件设备布置在生产区域时，检测和执行器
5、件直接安装于生产线上。在智能建筑中与其它用电设备的布线及电源是难以严格隔离的，因此不论是电流回路还是信号回路都极易感应瞬时过电压，因感应瞬时过电压造成微电子装置的硬件损坏或数据丢失，直接影响微电子装置的安全可靠运行。由于瞬时过电压幅值高、波形陡，故对微电子装置的接口部件，电源模块的元器件击穿而损坏或使其绝缘破坏，即使一时未出现故障，也使其寿命缩短，感应过电压的瞬变电磁场，是通过电源线的线间电感、分布电容、公共阻抗及向空间辐射等方式，被耦鸽以微电子装置的电源和信号回路，这些电气干扰信号叠加在有用信号上，将使信号产生畸变，有时完全覆盖了有用信号，使微电子装置误动或自动停机，直接影响生产线的正常生产
6、或造成生产事故及信息的传输交换，直接影响人身和设备安全。4 瞬时过电压的防范措施 对于瞬时过电压对微电子装置的危害，采取滤波或在电源线路和信号线路的有关部位装设过电压保护器，而对微电子装置的供电回路的设计中，应采取相应的防范措施，以提高装置的供电质量。4.1供电设计 在微电子装供电回路设计时，应避免同能产生操作过电压的设备共用一个电源回路，同时为减少回路阻抗，应加大电源线的截面，尽可能在缩短回路长度，并选择三相负荷平衡的回路为其供电，其电源相线和中性线应采用同等截面，以采用双绞屏蔽电缆为最佳。线路的敷设应采用电缆穿钢管敷设方式，减少与其它电源回路同桥架内敷设，并与避雷引下线保持一定的距离（2-
7、3米），以减少干扰环节，提高回路的供电质量。4.2滤波器的应用 滤波器可以有效的抑制交流电源线上，输入的瞬态干扰及信号线上的感应瞬时干扰，常用的滤波器件有电感、电容、电阻及压敏电阻等。来自工频电源或雷电等瞬时干扰，经电源线的传导及直流电源侵入微电子装置，这种干扰以共模和常模方式传输，可用电源滤波器滤除，图1为一种简单的交流滤波器，它以电源频率为通频带的低通滤波器，由陶瓷电容器和高导磁率铁氧体磁芯构成的共扼流圈组成。电容器中间接地后可以衰减共模干扰，接地线应大于2-5mm2，接地电阻应小于4欧姆，整个滤波器应具有屏蔽外壳。此种滤波器对500V-1000V，宽度几微秒的瞬时干扰信号抑制效果极佳。在
8、使用滤波器时应注意以下几点：4.2.1滤波器本身应屏蔽，而且屏蔽外壳应与系统的机壳地保持良好的电气接触。4.2.2为减少耦合，所有导线要靠近地面敷设。4.2.3滤波器的输入输出要进行隔离。4.2.4滤波器的安装位置应尽量靠近需要滤波的设备，其间的连线应采用屏蔽线。 目前市场上己有隔离变压器与滤波器的成品出售，可根据系统的特性要求，选择适当容量的隔离变压器和滤波器。4.3过电压保护器的应用4.3.1氧化锌压敏电阻 氧化锌压敏电阻是以氧化锌为主体材料制成的器件，其电压非线性系数高、容量大、残压低、漏电流小、无续流、伏安特性对称、电压范围宽、响应速度快、电压温度系数小等等特点。并且有结构简单、成本低
9、等优点，是目前广泛应用的过电压保护器件。适应于交流电压浪涌吸收和各种线圈，接点间过电的吸收及灭弧，在电子器件过电压保护中广为应用。4.3.2组合过电压吸收器件 其由电阻、电容、二极管及稳压管不同的组合而成，如图2所示，采用齐纳稳压管或双向二极管的较为常用，其无极性，正反向具有相同的保护特性，但器件的工作电压至少要为联端的工作电压三倍。其适用于交直流回路，常应用于自动化控制装置的输出回路，即继电器线圈或电磁间线圈两端并联应用。4.3.3放电管 利用充气放电管的气隙放电作用消除瞬时过电压，其价格低，响应速度快，缺点是放一次电需要持续半个周波左右，在这期间呈短路状态，放电电压和放电初始电压之间差值较大，并残留脉冲列浪涌，所以在实际应用中最好和压敏电阻配合作用。4.3.4半导体雪崩二极管 它是一种过箝压器件，简称TRS，利用大面积硅园锥P-N结的雪崩效应实现过箝位，TRS响应速度极快、漏电流小，是极佳的过电压吸收器件。5 结语 对于微电子装置在实际应用中，受到各种瞬时过电压的干扰是随机，作为滤波器和过电压吸收器件的设置是必要的。对于过电压吸收器件，最重要的是响应时间，当微电子装置受到上升速度非常快的脉冲干扰，吸收器件的时间若滞后而起不到保护作用。在微电子装置过电压保护设计中，应把电源回路设计，接地，屏蔽技术与过电压保护器有机的结合运用，以取得最佳的抑制效果。
