保护电路板上电子元件的半导体器件

　　除了用传统的气体放电管、金属氧化物变阻器（MOV）以及保险丝来保护电路板上的电子元件免受外界的侵袭以外，有效的半导体器件正日渐产生。研究发现，利用这些半导体器件，可使产品具有抗雷电、静电放电（ESD）、电瞬变（EFT），电感负载切换以及交流电源波动的能力。使得产品更加耐用可靠，从而降低了产品的修理费用。现在，已由过去的非限制性标准成了强制性标准，制造商必须使他们的产品满足ESD 指标的最低水平，否则就不能把他们的产品售往欧洲。

1 造成电子元件损坏的原因

　　过去，只有静电直接放电才能导致电子元件的故障，现在，由于附近放电而产生的强电磁场就可以轻易地损坏今天的高速系统，且系统速度越快，就越易受到影响。据Kimmel Gerke称，1~3ns的放电就可以产生强电磁场。在1ns的时间内，放电相应带宽就高达300多兆赫，这就表明，需要VHF/ UHF屏蔽及接地技术。
　　
　　闪电可以使邻近雷击点的地电位产生很大的波动，有时可高达100kV。由闪电而产生的电磁场也有可能带来麻烦，一个精心设计的单点接地系统是不可缺少的。然而，在本地网络中，只有一端电缆线接地进行屏蔽，这使得网络很容易受高频干扰。
　　
　　Maxim公司研究表明，集成电路在超出额定电压情况下工作，被损坏的可能性极大，甚至彻底瘫痪。集成电路在断电或不连续供电状况下工作会造成自身损坏或其它线路的损坏 。
　　
　　在模块控制系统中，由于电源与信号在输往同一模块的过程中相互干扰互相影响的故障经常发生。由强电流或高电压产生的以下结果将损坏集成电路：

局部过度受热　　 金属线受损
硅熔化　　　　　　 电压过高造成门电路失效
由于硅中混杂有铝而导致击穿或短路　　　　 电热传导导致晶体管受损

2 线路连接中应注意的问题和传统的保护器件

　　ESD电流波的特点是上速度升极快，因此电流在电路中通过时受电路中分散的寄生阻抗的影响很大。注意外部配置将确保集成电路的的良好性能，不同的集成电路，应有不同的电路配置，例如，Maxim的接口电路建议以下各点：

　　根据标准模拟电路接线技术，把所有的旁路和电荷泵电容器尽量向集成电路靠近
　　在印刷电路上设置一个接地平面
　　使引线电感和电容最小化，并且使集成电路尽可能靠近电路板的I/O端口
　　
　　一个气体放电抑制器有两个电极，他们安置在一个充满气体的管子内，彼此相距很近。当高电压（90，150，230，260和350V是典型的气体管电压）加到两极时，管中的气体发生电离，电路导通。在断路状态下，管子的电阻很大；导通时，电阻很小。气体管导通速度相对来说较慢，但可承受很大的冲击电流。遗憾的是。一些气体管在经受几百次的冲击后，就会烧掉。
　　
　　早期的气体管靠放射性金属使气体始终保持部分电离。Semitron通过严格控制混合气体和电极上的镀层而研制出了一种无须放射性金属的气体管。
　　
　　金属氧化物变阻器 （MOV）价格低廉，能够通过大电流而不受损，且很耐用。然而，每导通一次，其性能就会下降，在超载状态下，它将开路失效。MOV实际上是一种粉末压实产品，人们普遍认为它比半导体器件的反应速度慢（但并不是绝对如此）。
　　
　　理想状态下，一个分支保护器件的电容应当为零。典型的气体放电管的电容是1~2.5pF，而半导体器件的电容范围为100~5000pF。

3 新型的瞬变电压抑制器及其工作机理

　　瞬变电压抑制器（TVS）是特别设计用来提供过压保护的二极管。TVS 二极管的特点是：电流调节能力强, 工作电压和箝位电压低、实际反应时间快。这些特点使得它成为电路板保护的理想器件。TVS目前已有零售和大批量供应。
　　
　　Motorola研制的共阳极单片双SOT-23封装的齐纳二极管，其特征是：两个齐纳 SOT-23在同一个封装中，承受电压的范围是10V~91V。Motorola同时还宣布其传统产品的《Technical Zener Handbook》已经更新。
　　
　　Maxim研制出的电路板保护器件是和受保护电路串联的，而不是并联的。MAX366和MAX367是多功能的两端的电路保护器件。被串联于信号线里的每一个这种两端的保护器件保护的电压范围：接近或超过常用的供电电压直到40V。MAX366包括3个独立的保护器件而MAX367则有8个 保护器件，应用它们能够保护单极（4.5V~36V）或双极（± 2.5~± 18V）电源。这些器件是电压敏感型的MOSFET晶体管阵列。加电时，导通；断电时，开路。供以± 10V的电压，导通电阻的最大值是100欧，温度为25℃时，漏电流小于1nA。
　　
　　当信号电压超过或达到任何一个电源电压附近1.5V左右时，保护器两端电阻明显增大（无论电源是接通还是断开时），从而限制了过大的电流和输出电压。受保护的一端保持了正确的极性并且将电压箝制在电源电压范围的1.5V以下，没有“闪烁”或极性反向等现象发生。
　　
　　AD公司也生产串联保护器。单路、三路、八路介质隔离的通道保护器件，不管在断开还是接通电源的情况下，都能对后续器件提供自动电路保护 。当输入电压超过用户选择的电源极限电压时，ADG46×系列可自动地将一个内部的开关断开，ADG46×系列可承受的连续输入电压范围为± 35V。单通道的ADG465型，三通道的ADG466型以及八通道的ADG467型器件在双极性和单极性电源下都能工作。ADG465的接通电阻为50欧，ADG466和ADG467为100欧，输入漏电流规定为+500nA（最大值）。
　　
　　可控硅保护器件就象一个没有门的闸。当发生瞬变时，在可硅硅瞬变保护器件两端的电压将会增大直到达到它的导通电压。在这时，器件将工作于雪崩方式，这使瞬变电压被限制而只增加少许，这是因为器件转移了大量的电流。当瞬变电流上升时通过器件的电流将达到极大的水平，导致器件切换到全导通状态。在该状态时，器件两端只有少许电压，从雪崩方式切换到全导通状态的电压通常称为击穿电压。（Breakover Voltage）。
　　
　　当器件处于导通状态时，由于器件两端的电压很低，从而限制了在这些器件上的功耗，因而可分流很大电流而不损坏。使该器件重新恢复到非导通状态是由电流来控制的，当电流跌落到某一称为“保持电流”以下的数值时器件自动恢复。
　　
　　N基片和P基片的可控硅器件有一些区别。P 基片适用于低电压（150伏以下），因为它们在击穿电压时的动作与P基片的有些不同；P基片的器件在击穿时更“锐利”。 在电压高于150伏时， N基片的器件显得更耐用一些。
　　
　　可控硅提供给电路的是二级保护。因为它们是一个半导体器件，工作很快，而且可以维持相对大的电流。当出现一个火花时，器件立即将它箝位到一个初始的导通电压。如果火花具有相当大的能量，则可控硅再击穿至全导通状态。在这个状态，器件两端的电压仅有2~4V。

4 电话设备中的保护器件

　　据SGS-Thomson微电子公司称，通讯系统特别容易因雷电感应的脉冲而损坏。电话公司必须使用两级保护：在每根线上的第一级抑制器吸收过电压瞬变的主要部分，第二级保护器件安装在单个的抑制电路板上以除去剩余的过电压脉冲。第一级抑制器必须具有很强的抑制电流浪涌的能力，并能经受高电压。因此，传统的解决办法是采用气体放电管或者碳放电隙技术。来自SGS-Thomson 公司生产的表面安装CLP200M保护器件可为电话线提供瞬变过压和过流保护。这种器件适用于模拟和ISDN（综合业务数据网络）线卡以及PABX系统、主分配机构等。一级保护模块的峰值脉冲电流额定为100A，宽度是10~1000m S。器件符合Bellcore TRNWT-000974和CCITT K20标准，因此可提供可靠的抗雷电脉冲高达4kV的保护以及由于线间耦合或碰线引起的更持久的的保护。
　　
　　数字式 T1/E1电话线路以其低廉的成本和优越的性能很快取代了传统的模拟式线路。其结果是，Tl/El线现在被越来越多地用于电话公司的受到保护的中心办公室以外的环境，使它主要为线卡设计者所用，以便在他们的设计中包括适当的瞬变保护。
　　
　　SGS-Thomson公司还提供SMP75-8，它是一种低压双向瞬变抑制器，这是为Tl/El数字电话和类似应用而设计的一级保护产品。在上述的两种应用中高速的数字信号处于雷电感应脉冲以及其它瞬变电压的环境之中。典型的器件线卡的放电保护功能可由另外两种器件来实现：一种是DA108S1二极管阵列，它可以保护SLIC芯片免受任何通过变压器的剩余能量的损害；另一种是SMBJ 6.0A Transil 二极管，它可以对电源耦合的浪涌电压进行箝位。

5 非电话设备中使用的保护器件

　　通用仪器公司（General Instrument）是世界上电源整流器和保护器件设计、制造的领导者。该公司提供很多整流器的封装和接插结构，包括密封塑料、钝化玻璃和表面安装型的。
　　
　　Protek公司生产很多种瞬变电压保护的产品，范围涉及板级的、表面安装型的直到大功率型的。该公司的最新产品SM16P6K05系列是以SO-16封装的600W TVS阵列。该系列器件能够承受大于40kV的ESD。
　　
　　德州仪器公司（TI）的TL7726系列设有6个相同的的箝位电路，这些电路监视输入电压与基准电压的差值。对一个低于基准电压但高于地电压的输入电压，该箝位电路对地呈现极大的阻抗，吸入电流少于10m A；当输入电压低于地或高于基准电压时箝位电路将起作用。当箝位电路工作时，它具有十分低的阻抗并能吸入高达25mA 的电流，箝位电路的用途是提供一个防止电路损坏的安全保护。
　　
　　SGS-Thomson公司制造的Transil二极管阵列，它在一个紧密的封装中集成18个二极管，这种封装可以容易地安装在被保护的电路板上。这样做既节省了用分离的二极管组成保护网络的费用，也增加了系统的可靠性。
　　
　　Semitron公司利用一系列技术研制出了品种繁多的保护器件，例如，该公司曾开发了一种气体管/可控硅混合器件，这一器件由两个双向瞬变电压保护器与一个快速导通气体管并联。气体管的导通特性和瞬变电压保护器是经过仔细匹配的。当瞬变发生时，瞬变电压保护器将电压箝位以保护电路，然后更高的能量使气体管点火导通。
　　
　　Semitron公司的可控硅产品有某些独特的优点，T10系列的封装因为有一个极大的表面积可以耗散足够的热量，因此能够满足功率特性。此外，保持电流被控制在一个最大值和最小值范围内，避免了器件中热量的增加。举例来说，T10C的峰值脉冲电流可额定为250A，而它的竞争产品只能达到150A。
　　
　　Teccor Electronics公司用可控硅半导体技术生产用于有线电视、计算机以及电话等行业中的SCR（可控硅整流器）、三端双向可控硅开关、SIDAC（双向开关元件）和瞬变电压抑制器等元件。实际上，电子元件的每一条进入或输出线都应有自己特有的保护电路。接口电路（Interface-IC）制造商近来在这一领域取得了巨大进展，各种保护器件的长期规划也已提出。所以，不久的将来将会有更多性能优良的半导体保护器件问世，以使电路板上的电子元件的工作更加安全可靠。

阅读全文