對抗電壓瞬變和浪涌的措施

在關(guān)注半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性時，我們總會說到ESD和浪涌。浪涌包括浪涌電壓和浪涌電流，是一種上升速度極快，持續(xù)時間很短的尖峰脈沖，能夠在瞬間超出器件穩(wěn)定值的峰值。

任何一個供電系統(tǒng)中，浪涌的來源都分為外部和內(nèi)部。外部原因諸如惡劣天氣的雷暴影響，內(nèi)部原因則多種多樣，可能是器件負(fù)載的瞬態(tài)變化，多數(shù)情況下有害的浪涌電壓都會來自ESD。不管哪一種原因，電器器件在工作過程中遭遇這種浪涌和電壓瞬變，都可能造成器件損壞。如何選擇合適的電路保護？這是電路設(shè)計中常出現(xiàn)的問題。有源電路通常采用TVS二極管和保險絲。而現(xiàn)在作為取代TVS二極管和保險絲的浪涌抑制器，也開始受到了設(shè)計人員的青睞。

對抗電壓瞬變和浪涌的措施

從整個系統(tǒng)的防護措施來說，整機和系統(tǒng)接地是很有必要的，每個子系統(tǒng)也應(yīng)該有獨立的公共端，在子系統(tǒng)之間需要傳輸數(shù)據(jù)或者信號時，接地線必須能支持很大的電流，這是其一。在整機和系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位，可以通過采用電壓瞬變和浪涌防護器件來進(jìn)行防護。這是我們今天重點關(guān)注的器件。

傳統(tǒng)的可靠保護解決方案，像二極管、保險絲和TVS器件這些雖然能夠保持待保護狀態(tài)，但通常較為低效、而且體積龐大。應(yīng)運而生的浪涌抑制器能夠達(dá)到傳統(tǒng)方法的保護要求，而且從有些方面來看，它們更加可靠。對于極其重要的系統(tǒng)，我們還可以使用多個電壓瞬變和浪涌防護器件的組合以構(gòu)成多級防護電路確保萬無一失。譬如在成本高昂的FPGA和處理器上，電子器件的使用數(shù)量不斷增加要求對這些運行的器件提供嚴(yán)苛的保護。不僅如此，還需要保護器件體積小巧、可靠性高，能夠快速響應(yīng)過壓和過流浪涌事件。

防護方法各有優(yōu)劣

傳統(tǒng)的輸入防護包括TVS二極管、保險絲、電感電容等方式，TVS是利用二極管的雪崩擊穿特性來實現(xiàn)防護。TVS可以可以保護下游電路不受電源上的高壓尖峰影響，是浪涌保護里很流行的選擇，一來它并不復(fù)雜，二則是成本很低，能完成短時間內(nèi)分流高電流浪涌的任務(wù)。雖然TVS器件在抑制極高電壓偏移方面很有效，但在遭受持續(xù)過壓時，也不能避免損壞。另一個擔(dān)心是TVS可能短路，導(dǎo)致輸入電源斷開。和YVS相關(guān)的參數(shù)，Stand-off電壓、鉗位電壓、功率這些和溫度、電壓、脈沖這些因素都息息相關(guān)，總的來看因為其擊穿點離散性偏大，擊穿特性不陡，應(yīng)用上仍會受到一些限制，而且其較大的封裝也是常為人詬病的地方。而機械保險絲的反應(yīng)速度已經(jīng)跟不上需求，而且有比較大的器件容差，在防護上已處于下風(fēng)。電子保險絲精度可以做到不錯，但是分立方案較為復(fù)雜。

這么看來，采用MOS管似乎是一種更好的輸入防護措施，浪涌抑制器采用易于使用的控制器IC和串聯(lián)N通道MOSFET，因此無需使用繁雜的分流電路?？梢猿浞掷肕OS管的線性區(qū)來鉗位尖峰，利用可變電阻區(qū)來抑制電流，從而降低功率。

浪涌抑制器有什么門道？

根據(jù)對過壓事件的響應(yīng)，可以將浪涌抑制器分為三大類，線性浪涌抑制器、柵極箝位、開關(guān)浪涌抑制器。線性浪涌抑制器與線性穩(wěn)壓器驅(qū)動MOSFET的方式類似，需要對MOSFET實行保護限制其在高耗散區(qū)的時間。這往往采用電容故障定時器來實現(xiàn)，定時器電壓的變化率隨通過MOSFET的電壓而變化，保證器件在過壓期間平穩(wěn)度過避免損壞。

（線性浪涌抑制器，ADI）

柵極箝位浪涌抑制器利用內(nèi)部或外部箝位對柵極引腳的電壓進(jìn)行限制，再由MOSFET決定輸出電壓。外部柵極箝位會允許更廣泛的電壓選擇范圍。開關(guān)浪涌抑制器與前述二者有一些很明顯的區(qū)別，在浪涌事件中，開關(guān)浪涌抑制器是通過開關(guān)外部MOSFET將輸出調(diào)節(jié)到箝位電壓。因此，開關(guān)浪涌抑制器更適合于一些更高功率的應(yīng)用。

這種基于IC的有源浪涌抑制器相比TVS二極管無需繁復(fù)的設(shè)計，也不需要大尺寸的電感電容。整體來看這種防護措施需要的空間會更小巧，其輸出電壓箝位精度普遍高出了1%至2%，給下游器件的選擇更大的空間。

小結(jié)

有很多不同原因會引發(fā)電子系統(tǒng)中出現(xiàn)浪涌，必須采用靈活可靠的保護機制來確保下游成本高昂的電子器件的使用壽命。不管是傳統(tǒng)的防護措施還是浪涌抑制器，選擇防護時要考慮到預(yù)期的電源電壓和下游電子器件的電壓容限，充分了解系統(tǒng)防護要求才是做好浪涌防護的前提。

審核編輯 ：李倩