微電子設(shè)備遭受雷電的危害
 
微電子設(shè)備由于雷擊放電或者電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)操作而產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)設(shè)備造成失效 、損壞的實(shí)例屢見(jiàn)不鮮，由此造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。直接損失通常反映設(shè)備使用者在硬件方面的損失，可以修復(fù)或者替換。然而軟件方面的損失以及設(shè)備停機(jī)所造成的損失是無(wú)法彌補(bǔ)的。對(duì)微電子設(shè)備采取行之有效的保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)集成度越高而耐受過(guò)電壓能力越來(lái)越低的電子系統(tǒng)（設(shè)備）的可靠防護(hù)，盡量減小其遭受雷擊或沖擊過(guò)電壓的干擾和損壞，已成為微電子設(shè)備可靠性工作中急需解決的問(wèn)題。
 
微電子設(shè)備通常工作在低壓電網(wǎng)中，低壓電網(wǎng)中過(guò)電壓有四類：雷電引起的過(guò)電壓、靜電放電、操作過(guò)電壓以及工頻過(guò)電壓。過(guò)電壓通常以共模（過(guò)電壓在帶電導(dǎo)體或中性線和大地之間產(chǎn)生）和差模（過(guò)電壓在帶電導(dǎo)體之間產(chǎn)生）兩種干擾方式干擾低壓電網(wǎng)，其中雷電過(guò)電壓破壞性最大。


過(guò)電壓的傳播主要有傳導(dǎo)和感應(yīng)兩種方式，傳導(dǎo)過(guò)電壓是指架空饋電線或通信線路遭受雷擊后高壓沖擊波形成的暫態(tài)過(guò)電壓，可達(dá)幾十萬(wàn)伏。該傳導(dǎo)過(guò)電壓沿線路傳播，高壓側(cè)4%的過(guò)電壓通過(guò)高低壓繞組及高低壓繞組間的耦合電容竄入到低壓側(cè)，造成低壓供電線路過(guò)電壓。

其中，幅值4KV以下的占91%，98%的過(guò)電壓幅值不會(huì)超過(guò)6KV，常常損壞線路上的儀器和設(shè)備。另外電力系統(tǒng)高壓側(cè)的操作過(guò)電壓，也有可能侵入低壓側(cè)用戶設(shè)備。感應(yīng)過(guò)電壓是指落在線路附近的雷擊，其雷電沖擊電流形成的輻射電磁場(chǎng)可在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓。
 
現(xiàn)在，微電子設(shè)備耐受過(guò)電壓強(qiáng)度低的主要原因是設(shè)備內(nèi)部集成化程度越來(lái)越高，再加之內(nèi)部工作電壓通常工作在5VDC。對(duì)一個(gè)使用220VAC繼電器的電路而言，在轉(zhuǎn)換操作時(shí)產(chǎn)生一個(gè)500V的耦合瞬態(tài)電壓，其過(guò)電壓幾乎不會(huì)造成任何損壞，因?yàn)樵撾妷翰](méi)有超過(guò)額定電壓值的2.5倍，而且僅在微秒（μs）的時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn)。

但對(duì)于微電子設(shè)備中的集成電路而言，同樣的耦合過(guò)電壓在電路中已達(dá)到額定電壓值100倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許的2.5倍，肯定會(huì)造成IC的損壞，再加之IC的抗破壞強(qiáng)度比繼電器要低若干個(gè)數(shù)量級(jí)。為防止該過(guò)電壓破壞高靈敏度電氣設(shè)備，在可能出現(xiàn)此類高電壓的導(dǎo)線上，必須在極短的時(shí)間內(nèi)與均壓等電位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)短路。
 
防雷及過(guò)電壓保護(hù)機(jī)理

在電子設(shè)備防雷及過(guò)電壓保護(hù)上，通常采用分流、均壓、屏蔽、接地及保護(hù)等方式。這種電子設(shè)備是目前雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過(guò)去也稱為“過(guò)電壓保護(hù)器（SPD）”。其作用就是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線瞬時(shí)過(guò)壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入大地，使被保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊。
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1、分流

對(duì)直擊雷用接閃器引下線和接地裝置或通過(guò)導(dǎo)電且接地良好的金屬購(gòu)架將雷電分流并引入大地，使之盡量不流過(guò)被保護(hù)設(shè)備和器件。雷電流通道的阻抗要低，散流要好，以降低電位，這種分流裝置通常在高層建筑上架裝避雷裝置，并定期檢查接地裝置和導(dǎo)電金屬構(gòu)架的接地良好性。目前對(duì)高靈敏度電子設(shè)備很難僅依靠一個(gè)“外部防雷設(shè)備”就達(dá)到保護(hù)目的，此外，還需考慮外部防雷設(shè)備給室內(nèi)電氣設(shè)備帶來(lái)的EMC問(wèn)題。通過(guò)防雷設(shè)備接收和排放雷電沖擊電流時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電磁場(chǎng)影響，間接雷電效應(yīng)產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)50KV/m，每平方米可產(chǎn)生幾百伏的電壓。從而導(dǎo)致過(guò)電壓進(jìn)入電氣設(shè)備印刷電路板的導(dǎo)線回路和相應(yīng)數(shù)據(jù)線。如果雷電在電子設(shè)備附近或通過(guò)自然雷電電流通道擊中地下，也會(huì)以同樣方式進(jìn)入導(dǎo)線回路。

2、均壓
  
將同一樓層同一部位的電纜外皮、設(shè)備外殼、金屬構(gòu)架（件）及管道等進(jìn)行良好的電氣連接，以均衡電位。

3、屏蔽

采用屏蔽電纜，利用各種屏蔽箱（盒），法拉第籠和各種自然屏蔽體來(lái)阻擋侵入電子系統(tǒng)（設(shè)備）的電磁干擾和過(guò)電壓能量。

4、接地

將所有金屬外殼、機(jī)架（構(gòu)件）、管道、電纜金屬屏蔽層及穿線管連在一起，并與屏蔽籠及接地網(wǎng)就近連接。電氣和電子設(shè)備的防雷接地、工作接地及保護(hù)接地采用共地方式。

5、保護(hù)

在過(guò)電壓可能侵入的所有端口裝設(shè)必要的電涌吸收裝置和過(guò)電壓保護(hù)裝置，在計(jì)算機(jī)、電子系統(tǒng)引出的信號(hào)線及電源線上裝設(shè)多級(jí)保護(hù)，包括粗保護(hù)和細(xì)保護(hù)，將侵入的沖擊過(guò)電壓鉗制于允許的水平。
 
常用防雷及過(guò)電壓器件
  
目前常用的防雷及過(guò)電壓防雷器件有放電管（充氣式放電管）、壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器等。

1、氣體放電管
  
氣體放電管為低靈敏度保護(hù)器件，其工作部分通常用玻璃封裝或陶瓷封裝，內(nèi)部為一對(duì)相互隔開(kāi)的冷陰極電極，并充以一定壓力的惰性氣體（多數(shù)為氬氣）。為了提高放電管的觸發(fā)概率，在放電管內(nèi)還有助觸發(fā)劑，從結(jié)構(gòu)上分二極型或三極型。

常用過(guò)電壓放電器可以排放10KA ( 8/20μs)以下的瞬態(tài)電流。氣體放電管的反應(yīng)時(shí)間是指從外加電壓超過(guò)擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的時(shí)間，氣體放電管一般在μm微秒數(shù)量級(jí)。氣體放電管具有多種不同規(guī)格的直流擊穿電壓，其值取決于氣體的種類和電極間的距離等因素。

氣體放電管的電容量很小，一般≤1~5pF。它的工作原理是指當(dāng)加至氣體放電管兩電極間電壓達(dá)到電極擊穿電壓Ubr時(shí)，放電間隙立即點(diǎn)火放電，流通較大電流，而氣體放電管兩端電壓降到電極間電弧電壓，呈現(xiàn)低電阻。氣體放電管可在直流和交流條件下使用，所選用的直流放電電壓Udc≥Uo(Uo為線路正常工作的直流電壓)；交流條件下使用時(shí)，Udc≥1.44Un(Un為線路正常工作的交流電壓有效值)。

氣體放電管的動(dòng)作時(shí)間在毫秒范圍內(nèi)，廣泛用于遠(yuǎn)程通訊領(lǐng)域，優(yōu)點(diǎn)是耐電流大而靜電容小。缺點(diǎn)是點(diǎn)火電壓高，且點(diǎn)火性能受到時(shí)間的限制。氣體放電管的另一缺點(diǎn)是可能出現(xiàn)電源續(xù)流問(wèn)題。氣體放電管點(diǎn)火以后，在電壓超過(guò)24V的低阻抗電路，尤其容易將原本只希望持續(xù)幾微秒后將氣體放電管引起的短路繼續(xù)保持下去，結(jié)果是氣體放電管在瞬間會(huì)爆裂。因此，在采用氣體放電管的過(guò)電壓保護(hù)線路里，必須預(yù)設(shè)一個(gè)斷路器，以便在極短的時(shí)間將電路切斷。

2、壓敏電阻

壓敏電阻是一種具有瞬態(tài)電壓仰制功能的限壓型保護(hù)器件。利用器件特別敏感的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩級(jí)間，壓敏電阻可以將電壓箝位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)?？梢杂脕?lái)代替瞬態(tài)仰制二極管、齊納二極管和電容器的組合。常用于過(guò)電壓保護(hù)的壓敏電阻有金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和碳化硅（SiC）兩類。壓敏電阻兩端正、反向都具有同二極管反向擊穿相類似的伏安特性，當(dāng)作用在其兩端的電壓達(dá)到一定數(shù)值后，電阻對(duì)電壓十分敏感。

壓敏電阻最顯著的特點(diǎn)是非線性特性好，電壓范圍很寬，可從幾伏到幾千伏，吸收電涌電流可從幾十安到幾千安培，反應(yīng)速度快，非線性指數(shù)大，無(wú)極性、無(wú)續(xù)流、使用壽命長(zhǎng)且成本低，多用于直流電源、交流電源、低頻信號(hào)線路和帶饋電線路等。在手機(jī)、手提電腦、PDA、數(shù)字相機(jī)、醫(yī)療儀器等設(shè)備上，表面貼裝壓敏電阻應(yīng)用最為廣泛。
 
壓敏電阻器在電路浪涌和瞬變防護(hù)時(shí)的應(yīng)用大致可分四種類型：

1）在電源線之間和大地之間連接壓敏電阻

該壓敏電阻的使用最具代表性。在電源線及長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)線遇到雷擊而使導(dǎo)線存在浪涌脈沖時(shí)對(duì)電子產(chǎn)品起到保護(hù)作用。通常線間接入的壓敏電阻對(duì)線間的感應(yīng)脈沖有效；而線與地間接入的壓敏電阻對(duì)傳輸線和大地間的感應(yīng)脈沖有效。若對(duì)線間連接與線地連接兩種形式進(jìn)行組合，則可對(duì)浪涌脈沖能起到更好的吸收作用。

2）在負(fù)荷中的保護(hù)

將壓敏電阻器并聯(lián)至感性負(fù)載兩端，主要用于對(duì)感性負(fù)載突然開(kāi)閉引起的感應(yīng)脈沖進(jìn)行吸收，防止元件受到破壞。一般來(lái)講，將壓敏電阻并聯(lián)至感應(yīng)負(fù)載即可，如果再考慮電流種類和能量大小的不同，與R – C 串聯(lián)吸收電路合用更為理想。
 
3）接點(diǎn)間的連接保護(hù)

將保護(hù)壓敏電阻器并聯(lián)至被保護(hù)接點(diǎn)兩端，可防止感應(yīng)電荷將開(kāi)關(guān)接點(diǎn)電弧燒壞的情況發(fā)生。

4）保護(hù)半導(dǎo)體器件

將壓敏電阻兩端并接至大功率的集電極、發(fā)射極兩端，或者可控硅陽(yáng)極和陰極兩端，以限制電壓低于被保護(hù)器件的耐壓等級(jí)，這對(duì)半導(dǎo)體是一種非常有效的保護(hù)。
 
在具體使用壓敏電阻器時(shí)，如果電器設(shè)備耐壓水平Vo較低，而浪涌能量又比較大，則可選擇壓敏電阻V1mA 較低、片徑較大的壓敏電阻器；如Vo較高可選擇壓敏電壓V1mA較高的壓敏電阻器，這樣既可以保護(hù)電器設(shè)備又能延長(zhǎng)壓敏電阻使用壽命。
 
另外壓敏電阻也可以與空氣放電管、TVS瞬態(tài)電壓抑制器組成綜合浪涌保護(hù)器，以得到最佳的保護(hù)效果。上述器件可組成二級(jí)保護(hù)或三級(jí)保護(hù)，氣體放電管一般放在線路輸入端，做為一級(jí)浪涌保護(hù)器件，承受大的浪涌電流；二級(jí)保護(hù)器件采用壓敏電阻，在μs（微妙）級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)更快地響應(yīng)；對(duì)于高靈敏度的電子線路，可以增加第三級(jí)TVS保護(hù)，在ps（皮秒）級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)浪涌電壓產(chǎn)生響應(yīng)。
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在設(shè)計(jì)由氣體放電管和壓敏電阻組成的浪涌保護(hù)抑制電路時(shí)，應(yīng)充分考慮壓敏電阻具有漏電流不穩(wěn)定這一致命缺點(diǎn)，尤其是性能較差的壓敏電阻，在使用一段時(shí)間后，因漏電流變大可能會(huì)引起自爆。

為解決這一問(wèn)題通常在壓敏電阻之間串入氣體放電管，放電管的另一端接入地端。這樣的組合對(duì)壓敏電阻使用有較為理想的保護(hù)，但同時(shí)也帶來(lái)了缺點(diǎn)：響應(yīng)保護(hù)時(shí)間增加（時(shí)間為各器件反應(yīng)時(shí)間之和）。如果被保護(hù)的不是高靈敏度的器件或者設(shè)備，保護(hù)時(shí)間沒(méi)有問(wèn)題。對(duì)以上線路如果要提高保護(hù)靈敏度（響應(yīng)保護(hù)時(shí)間減少），可以在兩個(gè)串接的壓敏電阻器兩端再并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻器就可以提高響應(yīng)速度，此時(shí)反應(yīng)的時(shí)間應(yīng)該為壓敏電阻工作時(shí)間。
 
在使用壓敏電阻器保護(hù)時(shí)，因壓敏電阻的結(jié)電容較大（一般在幾百到幾千pF數(shù)量范圍），很多情況不易直接應(yīng)用在高頻信號(hào)線路保護(hù)中。在交流電路保護(hù)中，也會(huì)因結(jié)電容較大而增加漏電流，在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)應(yīng)根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的實(shí)際情況充分考慮這一因素。
 
3、TVS瞬態(tài)電壓抑制器

瞬態(tài)電壓抑制器TVS是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以ps級(jí)速度將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中精密元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊。由于它具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏小、箝位電壓較易控制、無(wú)損壞極限且體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備、儀器儀表、RS232/422、數(shù)字照相機(jī)的保護(hù)、共模/差模保護(hù)等領(lǐng)域。
 
TVS是高壓瞬間吸收器件，常在防雷保護(hù)裝置電路尤其是高靈敏度場(chǎng)所中使用。TVS與一般穩(wěn)壓管有著本質(zhì)區(qū)別，穩(wěn)壓管通常都是低壓穩(wěn)壓，反向擊穿電壓較低。而TVS在極性上分為單級(jí)性（用于直流電路）雙極性（用于交流電路）兩種，其主要參數(shù)應(yīng)該是泄露電流和反向時(shí)間。在具體使用時(shí)TVS在電路中一般工作于反向截止?fàn)顟B(tài)，不影響電路的任何功能。如電路由于雷電或各種電器干擾出現(xiàn)大幅度的瞬態(tài)干擾和脈沖電流時(shí)，它可在ps內(nèi)迅速轉(zhuǎn)入反向?qū)顟B(tài)，并將電路中的電壓箝位在所要求的安全系數(shù)值上。干擾脈沖過(guò)去后，TVS則又轉(zhuǎn)入反向截止?fàn)顟B(tài)。由于在反向?qū)〞r(shí)，其箝位電壓低于電路中其它器件的最高耐壓值，且TVS能承受的瞬間脈沖功率可以達(dá)到上千瓦，因而起到了對(duì)其它器件的保護(hù)作用。TVS有以下特點(diǎn)：

1）將TVS二極管加在信號(hào)電源線上，能防止微處理器或者單片機(jī)因瞬間脈沖、如靜電放電效應(yīng)、交流電源浪涌及開(kāi)關(guān)電源的噪聲所導(dǎo)致的失靈。

2）可以吸收持續(xù)10ms 靜電放電效應(yīng)10×104 V,  60A以下的脈沖的沖擊。而一般TTL器件，遇到30ms 的10V的脈沖便會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。另外TVS還可消除由總線之間開(kāi)關(guān)引起的干擾。

3）將TVS二極管放置在信號(hào)線及接地間，能避免數(shù)據(jù)總線受到不必要的噪聲影響。
 
在具體使用TVS時(shí)應(yīng)注意電流負(fù)荷量小和電容量較高這兩個(gè)方面的弊端。另外TVS具有自感存在，當(dāng)額定電壓越小，自感就越高，而且會(huì)與連接導(dǎo)線電感共同構(gòu)成一個(gè)低通，并隨著連接電路的信號(hào)頻率對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生衰減作用。

4、扼流線圈
 
扼流線圈是一個(gè)鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個(gè)尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對(duì)稱繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上形成的一個(gè)四端器件，對(duì)于共模信號(hào)呈現(xiàn)出的大電感具有抑制作用。共模干擾是同時(shí)疊加在兩條被測(cè)信號(hào)線的外界干擾信號(hào)，因被測(cè)信號(hào)的地與線路內(nèi)部地之間不等電位，由兩個(gè)地之間的電勢(shì)即共模干擾源產(chǎn)生。如遇到雷電干擾，線路中產(chǎn)生的共模干擾信號(hào)少則幾十伏甚至上百伏，如果沒(méi)有抑制措施很容易對(duì)線路內(nèi)部器件造成損壞。扼流線圈作用在平衡線路中十分有效地抑制了共模干擾信號(hào)，避免了共模干擾對(duì)器件的損壞，而對(duì)線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)無(wú)影響。

5、1/4 波長(zhǎng)天饋線電涌保護(hù)器
  
1/4波長(zhǎng)天饋線保護(hù)器是根據(jù)雷電電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論所制作的微波信號(hào)電涌保護(hù)器。這種保護(hù)器中的金屬短路棒長(zhǎng)度根據(jù)工作信號(hào)頻率的1/4波長(zhǎng)來(lái)確定。此并聯(lián)的短路棒長(zhǎng)度對(duì)該工作信號(hào)頻率來(lái)說(shuō)，阻抗無(wú)窮大，相當(dāng)于開(kāi)路狀態(tài)，不影響信號(hào)的傳輸，但對(duì)于雷電波來(lái)說(shuō)，短路棒對(duì)于雷電波阻抗很小，相當(dāng)于短路，雷電能量被泄放入地。
 
具體制作方法是，在一個(gè)短的波導(dǎo)空腔插入信號(hào)線路，在其中部橫伸一段長(zhǎng)度等于1/4信號(hào)波長(zhǎng)的端部接空腔支路。按波行進(jìn)原理，1/4波長(zhǎng)段等于開(kāi)路，信號(hào)可以從主空腔通過(guò)。由于雷電波頻譜的絕大部分遠(yuǎn)離射頻，它被口腔支路所短路，短路棒的直經(jīng)一般為幾毫米，因此耐沖擊電流性能好，可達(dá)30KA（8/20μs）以上，而且殘壓很?。ㄖ饕嵌搪钒糇陨黼姼幸穑?yōu)點(diǎn)是電壓保護(hù)水平很低，只有幾伏。不足之處是工頻帶較窄，帶寬約為2%～20%左右，另一個(gè)缺點(diǎn)是對(duì)天饋設(shè)施加直流偏置，使某些應(yīng)用受到限制。
 
電涌保護(hù)器的電路根據(jù)不同要求設(shè)計(jì)成不同結(jié)構(gòu)，但它至少應(yīng)包含一個(gè)非線性電壓限制器件。為達(dá)到更為理想的保護(hù)效果，也可以將常用的電涌保護(hù)器基本元件如：放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈，根據(jù)各自優(yōu)點(diǎn)綜合考慮放至浪涌保護(hù)器中，以達(dá)到既有好的有效性能，又有理想性價(jià)比的浪涌保護(hù)器。

微電子設(shè)備自身的抗浪涌保護(hù)能力十分脆弱，從廣義上講，其過(guò)壓防護(hù)應(yīng)充分發(fā)揮如分流、接地、均壓、屏蔽等措施，在此基礎(chǔ)上還應(yīng)根據(jù)非線性器件的特性，設(shè)計(jì)滿足不同要求的浪涌保護(hù)器。