关于过电压抑制
 

瞬变威胁—什么是瞬变?


电压瞬变的定义是电能的短时激增,它们是先前存储的电能或者通过其他方式(比如大电感负载或雷电)引入的电能的突然释放的结果。在电气或电子电路中,这种能量可以通过控制开关动作,或通过随机诱导来从外源的电路中以一种可预测的方式得到释放。


重复性瞬变常常归因于电动机、发电机或者反应性电路原件的切换。而另一方面,随机瞬变通常是由闪电和静电放电(ESD)引起的。闪电和ESD的发生一般是不可预知的,并可能需要对精细监测进行精确的测算,特别是当瞬变在电路板层面上诱发的情况下。许多电子标准工作组使用公认的检测或测试方法已经对瞬变电压进行了分析。几种瞬变的关键特性如下表所示:


表1:瞬变来源举例以及强度。

 

瞬变电压尖峰的特性


瞬变电压尖峰通常呈现出一个“双指数”波动。对于闪电和ESD这两种瞬变源,这种波动如下图所示。


图1:闪电瞬变波形。

图2:ESD测试波形。

 

雷击的指数上升时间范围在1.2μsec到10_sec之间(基本上是10%到90%),持续时间在50_sec到1000_sec之间(峰值的50%)。另一方面,ESD是一种持续时间更短的事件。上升时间少于1.0ns也是典型特点。整个持续时间大约为100ns。

 

为什么瞬变愈发令人担忧?


元件小型化导致对电应力的敏感性增加。例如,微处理器具有无法应对ESD引起的高电流的结构和导电路径。此类元件在非常低的电压环境下工作,因此电压干扰必须加以控制,以防止设备中断以及潜在的或灾难性故障。


如今,敏感的微处理器在范围广泛的器件中得到普遍应用。从家用电器,如洗碗机,到工业控制,甚至玩具中都会使用微处理器来提高功能性和效率。


现在大多数车辆也会采用多个电子系统来控制发动机、车内温度、刹车,或者在某些情况下,控制转向、牵引系统和安全系统。


许多电器和汽车内的子组件或支持组件(如电动马达或附件)都会将整个系统暴露在瞬变威胁之下。


精心的电路设计不仅要考虑环境场景,还要计入这些相关组件的潜在影响。表2列出了各种组件技术的易损性。


表2:器件易损性的范围。

瞬变电压情境


静电放电(ESD)


静电放电的特点是非常快速的上升时间、非常高的峰值电压和电流。这种能量是物体之间正负电荷不平衡的结果。


日常活动所产生的静电放电会远远超过标准半导体技术的易损性阈值。以下是几个例子:


● 走过地毯:

35kV @ RH = 20%; 1.5kV @ RH = 65%


● 走过塑料地面:

12kV @ RH = 20%; 250V @ RH = 65%


● 工人在工作台上工作:

6kV @ RH = 20%; 100V @ RH = 65%


● 乙烯信封:

7kV @ RH = 20%; 600V @ RH = 65%


● 从办公桌上拿起塑料袋:

20kV @ RH = 20%; 1.2kV @ RH = 65%


闪电感应瞬变


一次直接的雷击显然是毁灭性的,然而由闪电引起的瞬变并不是直接雷击的结果。


当雷击发生时,雷击事件可产生能在附近电缆上引起大幅度瞬变的磁场。云到云的雷击不仅会影响到架空电缆,还能影响到埋地电缆。一个即使是1英里外(1.6公里)的雷击也会在电缆上产生70伏的电压。在云对地的雷击中(如下图所示),所产生的瞬变影响更大。此图显示了感应雷电干扰的典型电流波形。


电感负载切换


电感负载的切换产生高能量瞬变,会随不断增加的重负载大幅增加。当电感负载被切断时,崩溃的磁场被转换成呈现为一个双指数瞬变的电能。取决于不同的来源,这些瞬变的强度可高达数百伏和数百安,持续时间达400毫秒。典型的感应瞬变来源包括:


● 发电机

● 继电器

● 马达

● 变压器


这些实例是电气和电子系统中所常见的。由于负载的大小因应用而各有不同,波形、持续时间、峰值电流和峰值电压都是存在于真实世界的瞬变中的变量。一旦可以对这些变量进行估计,就可以选择一种合适的抑制器技术。


下图显示了因汽车充电系统的交流发电机内的存储电流而产生的一次瞬变。


汽车中其他直流电动机也会导致类似的瞬变。例如,直流电动机电力设施,如电动锁、电动座椅和电动车窗。这些直流电动机的不同应用会对敏感的电子元件产生与外部环境中所产生的瞬变一样有害的瞬变。

TVS(瞬态抑制二极管)产品选型指南


TVS二极管(瞬态抑制二极管)被用于保护半导体元件免受高电压瞬变损害。它们的pn节具有比普通二极管的pn节更大的横截面积,使得它们能够将大电流接地而不遭受损坏。Littelfuse供应峰值额定功率在200W到30kW范围、反向断态电压在5V到512V范围的TVS二极管(瞬态抑制二极管)产品。