對抗電壓瞬變和浪涌的措施

在關(guān)注半導體器件的穩定性和可靠性時(shí)，我們總會(huì )說(shuō)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，持續時(shí)間很短的尖峰脈沖，能夠在瞬間超出器件穩定值的峰值。

任何一個(gè)供電系統中，浪涌的來(lái)源都分為外部和內部。外部原因諸如惡劣天氣的雷暴影響，內部原因則多種多樣，可能是器件負載的瞬態(tài)變化，多數情況下有害的浪涌電壓都會(huì )來(lái)自ESD。不管哪一種原因，電器器件在工作過(guò)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？這是電路設計中常出現的問(wèn)題。有源電路通常采用TVS二極管和保險絲。而現在作為取代TVS二極管和保險絲的浪涌抑制器，也開(kāi)始受到了設計人員的青睞。

對抗電壓瞬變和浪涌的措施

從整個(gè)系統的防護措施來(lái)說(shuō)，整機和系統接地是很有必要的，每個(gè)子系統也應該有獨立的公共端，在子系統之間需要傳輸數據或者信號時(shí)，接地線(xiàn)必須能支持很大的電流，這是其一。在整機和系統中的關(guān)鍵部位，可以通過(guò)采用電壓瞬變和浪涌防護器件來(lái)進(jìn)行防護。這是我們今天重點(diǎn)關(guān)注的器件。

傳統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。應運而生的浪涌抑制器能夠達到傳統方法的保護要求，而且從有些方面來(lái)看，它們更加可靠。對于極其重要的系統，我們還可以使用多個(gè)電壓瞬變和浪涌防護器件的組合以構成多級防護電路確保萬(wàn)無(wú)一失。譬如在成本高昂的FPGA和處理器上，電子器件的使用數量不斷增加要求對這些運行的器件提供嚴苛的保護。不僅如此，還需要保護器件體積小巧、可靠性高，能夠快速響應過(guò)壓和過(guò)流浪涌事件。

防護方法各有優(yōu)劣

傳統的輸入防護包括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(lái)實(shí)現防護。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(lái)它并不復雜，二則是成本很低，能完成短時(shí)間內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，但在遭受持續過(guò)壓時(shí)，也不能避免損壞。另一個(gè)擔心是TVS可能短路，導致輸入電源斷開(kāi)。和YVS相關(guān)的參數，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(lái)看因為其擊穿點(diǎn)離散性偏大，擊穿特性不陡，應用上仍會(huì )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雜。

這么看來(lái)，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(wú)需使用繁雜的分流電路?？梢猿浞掷肕OS管的線(xiàn)性區來(lái)鉗位尖峰，利用可變電阻區來(lái)抑制電流，從而降低功率。

浪涌抑制器有什么門(mén)道？

根據對過(guò)壓事件的響應，可以將浪涌抑制器分為三大類(lèi)，線(xiàn)性浪涌抑制器、柵極箝位、開(kāi)關(guān)浪涌抑制器。線(xiàn)性浪涌抑制器與線(xiàn)性穩壓器驅動(dòng)MOSFET的方式類(lèi)似，需要對MOSFET實(shí)行保護限制其在高耗散區的時(shí)間。這往往采用電容故障定時(shí)器來(lái)實(shí)現，定時(shí)器電壓的變化率隨通過(guò)MOSFET的電壓而變化，保證器件在過(guò)壓期間平穩度過(guò)避免損壞。

（線(xiàn)性浪涌抑制器，ADI）

柵極箝位浪涌抑制器利用內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(huì )允許更廣泛的電壓選擇范圍。開(kāi)關(guān)浪涌抑制器與前述二者有一些很明顯的區別，在浪涌事件中，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器是通過(guò)開(kāi)關(guān)外部MOSFET將輸出調節到箝位電壓。因此，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器更適合于一些更高功率的應用。

這種基于IC的有源浪涌抑制器相比TVS二極管無(wú)需繁復的設計，也不需要大尺寸的電感電容。整體來(lái)看這種防護措施需要的空間會(huì )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

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

審核編輯 ：李倩