电路保护方法

电路保护方法 乎所有电子 OEM 领域的功能密度正在日益增长，使宝贵的硅片更易于受到真实世界的损害。采取花钱较少的简单措施，就可以 保护 您的产品和您公司的声望，还能在极端情况下保护您的客户。 要点 产品的声誉依赖于产品的牢靠性。 在确定一个 瞬变 保护电路之前，要比较你的电路对漏电流和并联电容的容限。 要将候选保护 器件 的速度与你打算预防的瞬变的合理模型进行比较。 要提防在没有瞬变源模型和测试方法的情况下就规定瞬变耐受电平的 IC 制造商。单单瞬变耐受电平是不能说明什么问题的。 由于电子行业向作为优势设计工具的小尺寸 CMOS 工艺的演进，业已提高了信号处理与计算性能、能量效率、经济性以及紧凑性，但在面临不可 避免的常见电气瞬变危害时同时又使 IC 固有的牢靠性下降。 概括说来，瞬变源可分为闪电、开关、 EMP（电磁脉冲）和 ESD（静电放电）四种。在这四种瞬变源中， EMP 很少见，主要由核事件产生。但是，与 EMP 一样，几乎所有电瞬变源都是由存储的能量突然释放产生的。闪电和 ESD 是由静电荷突然释放产生的，而开关瞬变通常是由于存在显式电抗或寄生电抗时电流或 电压 发生突变，导致静电场或电 磁场剧变而产生的。 某一类中的瞬变源往往表现出相同的时域特性。例如，开关瞬变具有周期性的特点，其幅度与重复频率会因某一装置的细节不同而各异。闪电与 ESD 脉冲则是非周期性的，其发生地点超出了大的地理趋势，是不可预测的（图 1）。（ TechFlick：图 1 的动画版，显示全球每平方公里每年的闪电数。图形与视频均由 NASA 国际空间科学与技术中心闪电组提供。） 闪电与 ESD 脉冲也是难以测量的，其幅度变化范围很大。各工业部门都开发并推广了各种瞬变源的标准与试验方法。这些标准尽管在一些重要方面（例如电荷存储与源阻抗）可能各有不同，但在瞬变对在其它情况下不会令人怀疑的电路的危害是如何出现的原理上却是一致的（表 1）。这种表格式的数据反映的情况是不全面的：瞬变波形不是方波，但上升时间呈快速指数型，下降时间则是缓慢的指数型，在峰值波幅处几乎没有停留时间。 对于任何易受瞬变影响的给定节点来说，其保护方法必须同时满足几个要求。这种保护方法必须能将被保护节点箝位在安全电位上。因此，一个合适的保护器件因其保护的电路类型不同而有所不同。保护器件对于瞬变上升沿的响应必须足够快，以保持节点电压低于损坏阈值。低电感并联器件和低电容串联组件都有助于满足这一要求，但条件是印制电路板的设计要采用良好的高速布线技术来实现保护网络。最后，这种保护方法要么必须能 吸收瞬变产生的能量，要么必须使该能量在瞬变源阻抗上耗散掉。由于这一原因， OEM 设计师不能总是依赖于半导体的片上保护单元，而常常必须增加电路板级的保护组件。因此，对某一给定的瞬变类型来说，确定其保护方法的第一步就是计算电路必须吸收的总脉冲能量。另外还要考虑可能的重复频率与升温时间常数，以保证箝位组件在关键时刻不过热。 最经常受影响的节点是一个系统中暴露在外的端口，其中包括电源入口和信号 I/O 。这些节点可能还包括接近绝缘表面的一些内部节点，键盘和显示器中的情况就是这样。瞬变未必产生于某根特定的引脚，从 而损坏其相关电路与某个子系统连接的引脚上产生的瞬变脉冲可通过电容耦合到连接其它子系统的引脚上，然后发生击穿，或在击穿之后的电流突变期间，通过电感耦合到连接其它子系统的引脚上。在这样的情况下，只保护最初的受害电路是不够的。例如，如果某个设备将信号引脚与电源输入线捆绑在一起，比如说由电动机引起的电源瞬变就会耦合到信号节点，但信号幅度有所降低。 高速电路的保护之所以具有挑战性，是因为高速电路对箝位电路另外加到被保护节点的并联电容负载很敏感。这就是光纤馈线在高速通信中，甚至对于短距离链路（如机架到机架的链路）具 有吸引力的几个原因之一（参考文献 1 和 2）。 工业和医疗信号调节系统中常见的隔离前端可阻挡很大的共模电压，而却让信号的差模分量通过。共模分量出现在隔离层上，隔离层的击穿电压有限，通常为 500V 2kV 。超出隔离层击穿电压的瞬变信号（如 ESD 脉冲）将通过隔离层的设计所确定的一条路径向系统一方的接地放电（图 2）。这种路径的可预测性大小不一，取决于隔离层的类型：光隔离层、电容隔离层或磁隔离层。 以毒攻毒 用峰值电压和峰值电流表示的闪电脉冲是你需要预防的最大瞬变源。即使在距离闪电地点很远的地方，闪电引起的浪涌也具有相当高的能量，很少有保护器件能幸免于难，远不足以保护它们所连接的节点。表 2 进一步表明表 1 中闪电特性的击穿情况。 最可能遭受闪电的节点连接到电源输入端，或者连接到很长的室外信号馈线，如POTS（普通老式电话系统）、 DSL 或有线电视系统中的信号馈线。尽管 POTS 馈线的带宽适中，但 DSL 是安装在 POTS 基础结构上的，所以保护器件的并联电容必须最小，有线电视的情况也是一样。 GDT（气体放电管），也称等离子体避雷器，是这种大型分布式系统的第一道防线。 在正常的工作条件下，一只 GDT 的并联阻抗约为 1 T ，并联电容为 1 pF 以下。当施加在 GDT 两端的电势低于气体电离电压（即 “辉光 ”电压）时， GDT 的小漏电流（典型值小于 1 pA）和小电容几乎不发生变化。一旦 GDT达到辉光电压，其并联阻抗将急剧下降，从而电流流过气体。不断增加的电流使大量气体形成等离子体，等离子体又使该器件 上的电压进一步降低至 15V 左右。当瞬变源不再继续提供等离子电流时，等离子体就自动消失。 GDT的净效果是一种消弧作用，它能在 1ms 内将瞬变事件期间的电压限制在大约 15V以下。 GDT的一个主要优点是迫使大部分能量消耗在瞬变的源阻抗中，而不是消耗在保护器件或被保护的电路中。 GDT 的触发电压由信号电压的上升速率（ dV/dt）、 GDT的电极间隔、气体类型以及气体压力共同确定该器件可以承受高达 20 kA 的电流。 GDT 有单极和三极两种形式（图 3）。三极 GDT是一个看似简单的 器件 ，能在大难临头的关键时刻保持一个差分线对的平衡：少许的不对称可以使 瞬变 脉冲优先耦合到平衡馈线的某一侧，因而产生一个巨大的差分信号。即使瞬变事件对称地发生在平衡馈线上，两个 保护 器件响应特性的微小差别也会使一个破坏性的脉冲振幅出现在系统的输入端上。三极 GDT在一个具有共享气体容积的管内提供一个差分器件和两个并联器件。造成一对电极导通的任何条件都会使所有三个电极之间导通，因为气体的状态（绝缘状态、电离状态或等离子状态）决定了放电管的行为。 加上 MOV MOV（金属氧化 物变阻器）是随 电压 而变化的非线性电阻器。烧结的金属氧化物形成一种犹如两个背对背串接的齐纳二极管的结构。在正常工作情况下， MOV 的典型漏电流为 10 mA 量级，并联电容约为 45 pF。电压升高到超过 MOV 阈值，就会使其中一个分布式齐纳二极管产生雪崩，因而使该器件对被保护的节点进行箝位。不断增加的电流最终使器件两端的电压上升 这是大多数批量材料都有的一个限制因素。 作为一种箝位 器件， MOV 能大量吸引瞬变能量，而气体放电管则将瞬变能量耗散在瞬变源阻抗以及瞬变源与被保护节点之间的电阻中。在容许 MOV 的漏电和并联电容的应用场合（如电源、 POTS 和工业传感器）， MOV 可配合 GDT ，对闪电引起的瞬变进行良好的二次防护，因为 MOV 的触发速度要比气体等离子体避雷器快一个数量级。反复出现的过热应力的累积会使 MOV 过热，降低其性能。因此，务必仔细分析你打算支持的瞬变规范，确定你要求 MOV 吸收的总能量和最坏情况下的瞬变重复率，保守地制定器件的规格。 手指放电 对 OEM 电子产品来说，最常见的瞬变危害是 ESD。在设计防止 ESD 损坏的保护电路时，必须解决三方面的问题：首先，有许许多多标准可供使用，这意味着存在多个瞬变源模型。你必须在设计周期内及早确定与你应用系统最相关的是哪种瞬变源模型和测试方法。如果 IC 供应商用其它瞬变源模型制定其器件规格，你就必须用你选定的瞬变源模型和测试方法来评估这些器件工作的可靠性。如果面对 ESD 的可靠性对于你的顾客很重要，你就可能要对 I/O 端口子系统与人机接口部件的工作原型进行测试。 其次，在不显着影响信号质量的情况下，现 代高速 I/O 端口容许的交流负载很小，因此，保护器件额外增加的并联电容必须很小。要结合 I/O 端的所需带宽考虑正常工作条件下的信号源阻抗，从而评估你应用系统对于 I/O 端口外加并联电容的敏感性。 最后，实现高速 I/O 的硅工艺，其损坏阈值很小，因此，要确保你的保护方法是有足够快的箝位速度，并将被保护节点固定在一个足够低的电压上。实际上，所有 IC 都有 ESD 保护单元，这对你的设计有很大帮助。但是，并不是所有供应商都赞同同一种瞬变源模型和测试方法，因此，在将一块候选 IC 设计到应用系统中之前，要 弄清楚该IC 的可靠性。你可能还要限制承包制造商代换连接到敏感节点的 IC 的自由度，除非 IC 选择标准已经考虑了牢固性和可靠性。 根据不同的电荷来源， ESD 源模型分为三类，即 HBM（人体模型）、 CDM（电荷器件模型）和 MM（机器模型）。 CDM和 MM 描述制造环境中会产生的 ESD 危害，或者因电荷汇集在产品成为绝缘表面上，尤其是摩擦能使电子转移而造成危害。 HBM 描述产品制造后所面临的危害。也就是说，这三类几乎并不互相排斥，所以您可能要考虑你的产品将那些部位暴露在与三种模型之一对应的瞬变源和情景之下。例如 ， MM 也可描述人体电荷源通过中间导体放电的事件，技工使用小型手持工具而没有先将积累的静电荷通过附近的接地端子释放时的情况就是这样。 在描述 HBM 源的各个标准中， IC 行业最常使用的是 IEC-64000 标准，它包括空气放电和直接接触测试方法。 HBM 模型规定一个 330的源电阻而有一个 150pF 电荷储存器（图 4）。大多数 ESD 模型包括一个高阻电荷路径，这样充电电路不会影响测试，反之亦然。 相形之下，军用标准 883 则使用一个 100pF 电容和一个 1.5k源电阻，这就将总能量和峰值电流限制在 IEC-64000 允许的幅度的部分范围内。这两个源模型证明，如果只给出一个测试电压，则 ESD 规范就提供不了什么信息。制造商必须确认源模型与测试方法，能为你提供一个评估 ESD规格的背景。其它常见 ESD标准包括适用于 MM的 EIAJ IC121 和适用于 CDM的 US ESD DS 5.3（参考文献 4）。 正如 Semtech公司 的应用工程经理 Bill Russell 指出的，尽管空气放电测试方法比较熟悉，但 “直接接触方法有更好的可重复性，可以建立最苛刻测试条件的模型，并代表真实的放电情况。在我们的（ OEM）客户中， 在设计时只采用直接接触测试方法而不关心空气放电方法的客户要比使用空气放电法的多。直接接触方法也能测试高密度组件上的特定节点，而空气放电方法则是不太好控制的。 IEC 61000-4-2 Level 4 需要 8 kV 的接触放电，但现在大多数厂家并未就此止步不前：他们正在试验的接触放电达到 10kV或 12kV，特别是在便携式电子产品中。 ”尽管 ESD 电压可能很高，但总能量不太大。例如，采用 IEC 61000-4-2 HBM 模型时，一个 10 kV 脉冲只给出 7.5 mJ 能量，并随电压的平方而变化。 TVS（瞬变电压抑制器）都是雪崩二极管。一个 TVS 的并联电容历来只有几十皮法，但有些新的 TVS 的并联电容增加了不到 10 pF。电压最低的 TVS，其漏电流往往为 100mA 以上，而工作电压为 12V 以上的 TVS，其漏电流则为 5mA 以下。 当前 TVS 的发展趋势是提高集成度，支持高密度便携设备。在芯片尺寸封装中包含多个器件，使节点间隙更好地匹配被保护的 IC 或接口连接器。集成的 TVS 与 EMI滤波器可在一个封装内完成两个关键任务，并可简化通过 I/O 口布放总线的工作。多个 TVS封装因其小巧而成为高密度组件中最常见的 保护器件。 2 Israelsohn, Joshua, The alchemy of glass, EDN, Dec 26, 2002, pg 37, /article/CA265496.html. 3 Surge Arrester Technologies, Application Note AN-111, SRC Devices, undated. Introduction to Circuit Protection, Littelfuse, undated. 附文：安全第一 锂离子化学是电池发明以来便携式电源方面取得的最大进步之一。锂离子电池具有无与伦比的体积功率密度与质量，可为数码相机、手机、笔记本电脑等种种设备供电。虽然这种电池化学对提高生产率大有裨益，但是，把这些电源设计到便携系统中，就有责任确保系统在各种可以预见的条件下安全工作。 在锂离子电源系统中过流状态（包括自行解体）引起的后果可能很严重。 设计得当的锂离子电池组 ，其中包括精心设计制造的、通风适当的、充电控制与切断电路良好的、机械设计优良的电池等，都可以防止由于机械振动导致的安全功能失效。 不幸的是，价格高昂的锂电池组驱使一些假冒电池制造商不采取你公司在制定电池组设计规范时采取的相同预防措施。例如， Verizon Wireless 公司于 去年六月收回了 5 万节假冒 LG 手机电池， Kyocera 公司在去年十月收回了 100 万节假冒手机电池（参考文献 A 与 B）。其它事例举不胜举，其中包括消费产品安全委员会自 2002 年以来调查的 100 多个事件。 锂离 子电池组的厂商可以采用多种方法来 保护 其客户和自己的声望。有些电池组制造商已开发出使电池组更安全的设计与制造标准。 Micro Power 公司就是这样的电池组制造商，它以 SecuraPack 公司的名义把其设计与制造要求编纂成集。 SecuraPack 公司采用合格供应商的优质电池，对购进的电池进行抽样检测，对电池外壳进行超声焊接，提供元 器件 的追踪性，确保设计可用于更宽的温度范围，并遵从便携计算可充电电池的 IEEE 1625-2004 标准。 SecuraPack 公司还提供电池系统设计与制造过程中的失效模式分析与失效后果分析。 用来实现第二级保护的是外围认证芯片，例如 Maxim 公司 Dallas Semiconductor 分部和 TI公司生产的芯片。这些器件可使你的系统询问包括电池在内的可以拆卸的器件。OEM 仍然可以向满足本公司安全标准的二级电池组供应商授 权。 目前，许多大学及科研单位都进行了 开关 电源 EMI（ Electromagnetic Interference）的研究，他们中有些从 EMI产生的机理出发，有些从 EMI 产生的影响出发，都提出了许多实用有价值的方案。这里分析与比较了几种有效的方案，并为开关电 源 EMI 的 抑制 措施提出新的参考建议。 一、开关电源 电磁 干扰 的产生机理 开关电源产生的干扰 ,按噪声干扰源种 类来分 ,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种 ；若按耦合通路来分 ,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明： 1、二极管的反向恢复时间引起的干扰 高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过 ,在其受反偏电压而转向截止时 ,由于 PN结中有较多的载流子积累 ,因而在载流子消失之前的一段时间里 ,电流会反向流动 ,致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。 2、开关管工作时产生的谐波干扰 功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如 正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波 ,其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时 ,这种谐波干扰将会很小。另外 ,功率开关管在截止期间 ,高频变压器绕组漏感引起的电流突变 ,也会产生尖峰干扰。 3、交流输入回路产生的干扰 无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。 开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量 ,通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰 ；而谐波和寄生振荡的能量 ,通过输入输出线传播时 ,都会在空间产生电场 和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。 4、其它原因 元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（ PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性， PCB 的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成 EMI干扰。 二、开关电源 EMI的特点 作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率不高（从几 十千赫和数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰 ；而印刷线路板 (PCB)走线通常采用手工布线 ,具有更大的随意性 ,这增加了 PCB 分布参数的提取和近场干扰估计的难度 . 三、 EMI测试技术 目前诊断差模共模干扰的三种方法：射频电流探头、差模抑制网络、噪声分离网络。用射频电流探头是测量差模 共模干扰最简单的方法，但测量结果与标准限值比较要经过较复杂的换算。差模抑制网络结构简单（见图 1），测量结果可直接与标准限值比较，但只能测量共模干扰。噪声分离网络是最理想的方法，但其关键部件变压器的制造要求很高。 四、目前抑制干扰的几种措施 形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而 ,抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源 ,直接消除干扰原因 ；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射 ,切断电磁干扰的传播途径（见图 2） ；第三是提高受扰设 备的抗扰能力 ,减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。 采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。例如 ,功率开关管和输出二极管通常有较大的功 率损耗 ,为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘 ,这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容 ,开关电源的底板是交流电源的地线 ,因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰 ,解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片 ,并把屏蔽片接到直流地上 ,割断了射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射 ,电磁干扰对其它电子设备的影响 ,可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩 ,然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体 ,就能对电磁 场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如 ,静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰 ；电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地 ,但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓 “负静电屏蔽 ”效应 ,所以仍以接地为好 ,这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连 ,可为信号回路提供稳定的参考电位。因此 ,系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后 ,最终都与大地相连 . 在电路系统设计中应遵循 “一点接地 ”的原则 ,如果形成多点接地 ,会出现闭合的接地环路 ,当磁力线 穿过该回路时将产生磁感应噪声 ,实际上很难实现 “一点接地 ”。因此 ,为降低接地阻抗 ,消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地 ,利用一个导电平面 (底板或多层印制板电路的导电平面层等 )作为参考地 ,需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降 ,可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中 ,应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后 ,再连接到公共参考点上。 滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如 ,在电源输入端接上滤波器 ,可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰 ,也可以抑 制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中 ,还采用很多专用的滤波组件 ,如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环 ,它们能够改善电路的滤波特性