EMC教程系列之瞬态保护

瞬变（电压或电流的瞬时峰值）会破坏或损坏连接到信号或电源线的产品。由闪电、静电放电和因开关断开或短路而电流突然变化的电路耦合的常见瞬态能量源。

瞬态保护装置试图利用瞬态波形与预期信号或功率波形之间的差异，重新引导这些瞬态中的能量。最常见的瞬态保护方案限制其所保护电路的电压幅值、电流幅值或过渡时间。

图1说明了如何使用限压瞬态保护装置来保护安装在印刷电路板上的VLSI元件的输入。在正常信号或电源电压下，该器件具有高阻抗，并且不会显著影响电路的工作。然而，如果装置上的电压超过一个阈值，其端子上的阻抗会突然减小，使来自被保护部件的分流电流突然减小。

图1.印刷电路板上的电压限制瞬态保护。

二极管可能是低压应用中最常见的保护装置。一个无偏二极管通常有一个高阻抗时，其两端的电位低于约0.5伏。在较高的电压下，阻抗迅速下降。二极管可以串联组合以达到更高的阈值电压，或者可以使用反向偏置齐纳二极管。一般来说，二极管用于要求阈值电压在0.5到几伏之间的应用中。

二极管是电压限制设备，这意味着它们只传导足够的电流来保持电压在阈值水平。它们的反应速度相对较快，足以保护敏感的半导体输入。然而，二极管通常不能在失效前消耗大量能量。发生故障的二极管可能看起来像开路或短路，但更有可能发生故障短路。

变阻器是另一种电压限制装置，通常由金属氧化物粉末制成。变阻器的阈值电压可以设计为0.5伏到10伏。它们通常比二极管消耗更多的能量，但也可能有更多的寄生电容，这可能使它们不适合用于高速信号应用。和二极管一样，它们更容易短路而不是开路。

晶闸管是像二极管一样的半导体器件。然而，它们通常比二极管消耗更多的能量，并且可以在各种阈值电压下被发现。与二极管和变阻器不同，晶闸管是撬棍这意味着，当超过阈值电压时，它们会有效地“短路”，而它们之间的电压降到接近零。

家庭早期电话设备的防雷装置由两个尖头的金属片组成。当这些金属片上的电压超过阈值时，金属片之间的空气就会破裂形成电弧。对于大电压来说，这仍然是一种有效的瞬态保护方案，但是现在的设备是封闭在一个玻璃或塑料管中的，这种气体比空气更容易分解。

气体放电管能够在不损坏的情况下耗散相对较大的能量。他们也有相对较低的电容，所以他们不太可能扭曲快速或高频信号。它们通常设计为10到100伏的阈值电压，是像晶闸管一样的撬杆装置。

气体放电管很可能无法打开，因此很难判断它们是否正常工作。但是，发生故障的放电管不会干扰所连接设备的正常运行。霓虹灯的行为类似于气体放电管，可以作为一种廉价的方式提供初级瞬态保护（阈值约为70伏）。

保险丝、断路器和热保护装置等装置是由电流而不是电压触发的。这些装置与通向被保护设备的电源线或信号线串联。他们通常有一个非常低的阻抗，但当过多的电流流过他们时，就会断开（变成高阻抗）。一旦它们被触发，电流限制装置阻止电力到达被保护的设备，而不必以热量的形式散失功率。因此，他们所能处理的能量（或能量）几乎没有限制。然而，限流装置通常响应速度不够快，无法保护设备免受雷电或静电放电产生的快速瞬变的影响。

电压和电流限制装置需要有限的时间来响应。如果瞬变很快，则可能在保护装置有机会运行之前发生损坏。通常，最好的瞬态保护是一个简单的电容器或铁氧体磁珠，用来减缓由于感应瞬变引起的电压或电流的任何变化。

图2说明了VLSI元件敏感输入上的电容器如何减缓与任何瞬态相关的上升时间。通常，集成电路输入会对非常快的瞬变做出响应，即使这不是设备正常运行所必需的。例如，微处理器上的复位输入通常不会频繁切换。当它被切换时，通常切换发生在微秒或毫秒内并不重要。然而，这些输入通常对纳秒量级的瞬态响应。通过增加并联电容器来减缓这些输入，可以消除由于非常快的瞬变（例如，由静电放电引起的）引起的问题，而不会对设备的运行产生任何不利影响。

图2.使用滤波电容来减缓快速输入的响应。

电容器与其他瞬变保护装置相比有几个优点。它们相对较小，价格低廉，并且它们的线性行为相对容易预测和建模。与它们保护的设备相比，它们的储能容量相对较大，因此如果尺寸合适，它们不太可能发生故障。虽然电容器在暴露于高于其额定值的电压下通常表现为短路，但在这些条件下其行为并不可靠；因此，电容器不应作为限压暂态保护装置使用。

铁氧体磁珠或电阻器可用于为低阻抗（例如高电容）输入提供过渡时间限制瞬态保护。铁氧体磁珠的优点是没有直流电压下降。然而，当使用铁氧体磁珠时，必须确保信号或电源电流不会饱和铁氧体材料。