电子元器件的防浪涌应用.docx
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电子元器件的防浪涌应用
电子元器件的防浪涌应用
电浪涌引起的电过应力（EOS）损伤或烧毁是电子元器件在使用过程中最常见的失效模式之一。
电浪涌是一种随机的短时间的高电压和强电流冲击，其平均功率虽然很小，但瞬时功率却非常之大。
因此，它对电子元器件的破坏性很大，轻则引起逻辑电路出现误动作或导致器件的局部损伤，重则引发热电效应（如双极晶体管的二次击穿、CMOS电路的闩锁效应），使器件特性产生不可逆的变化，甚至遭到永久性破坏（如造成铝金属互连线的烧熔飞溅）。
随着电子元器件集成密度的提高和几何尺寸的缩小，使得它越来越容易因受到电过应力而损坏。
因此，必须采取有效措施予以防范。
9.1.1集成电路开关工作产生的浪涌电流
数字集成电路在输出状态翻转时，其工作电流的变化很大。
例如，在如图9.1所示的具有图腾柱输出结构的TTL电路中，当状态翻转时，由于晶体管内储存电荷的释放需要一定的时间，其输出部分的两个晶体管VT01和VT02会有大约10ns的瞬间同时导通，这相当于电源对地短路。
每一个门电路，在此转换瞬间有幅度为30mA左右的浪涌电流输出。
对于大规模集成电路或高密度印制板组件，一块电路或一块组件上会有几十乃至成千上百个门电路同时翻转，所形成的浪涌电流是十分可观的。
在上例中，若有33块TTL电路同时翻转，则瞬态电流可达1A，而变化时间只有10ns。
象这种电流变化，稳压电源是难以稳定调节的。
一般稳压电源的频率特性只有10kHz数量级，对于10ns级的剧烈变化是无济于事的。
于是，上述效应就会造成电源电流的剧烈波动，不仅给产生浪涌的原电路，而且可能给电路中的其它器件造成危害，还会通过电磁辐射影响邻近的电路或设备。
由于这种浪涌电流具有很高的频率成分，可在集成电路附近接旁路电容（有时称去耦电容）加以抑制，如图9.2所示。
根据经验，一般可以在每5～10块（具体数目与所用电路的类型有关）集成电路旁接一个0.01～0.1μF左右的电容；每一块大规模集成电路或每一块运算放大器也最好能旁接一个电容。
去耦电容应该是低电感的高频电容，小容量电容一般选用园片陶瓷电容器或多层陶瓷电容器，大电容最好选用钽电解电容器或金属化聚酯电容器，不宜采用铝电解电容器，因为它的电感比上述电容器大近一个数量级。
另外，在印制线路板的电源输入处，也应旁接一个100μF左右的钽电容和一个0.05μF左右的陶瓷电容。
（a）（b）
图9.1数字集成电路开关工作时产生的浪涌电流示例
（a）图腾柱输出结构的TTL电路；（b）状态转换时的浪涌电流
Vi为电路输入电压，ICC为电源电流
图9.2抑制集成电路开关工作浪涌电流的措施
9.1.2接通电容性负载时产生的浪涌电流
如果用开关电路或功率管驱动电容性负载（如图9.3所示），则在电路输出端由高电平向低电平转换的瞬间，由于电容两端的电压不能突变，对于交变电流，它等效于短路，电流值仅由回路的电阻R决定，所以这个浪涌电流可以在瞬间上升到接近于VCC/R值，VCC为电源电压。
该电流远大于器件的正常导通电流，有可能给器件带来损伤。
为了抑制这种浪涌电流，可以串联一个电感，如图9.4（a）所示。
也可以在接通瞬间串入一个限流电阻，当电容性负载充电到一定程度之后，再撤销这个限流电阻，如图9.4（b）所示。
[实例]浪涌电流导致TTL电路损坏
如果TLL电路输出端接有电容负载，当电路输出由低电平向高电平或由高电平向低电平切换时，将出现充电电流或放电电流。
当电容量较大时，充放电电流很大，从而使电路内部的输出晶体管受损。
解决方法是降低电容容量，或者在电容上接入串联电阻。
当然，最好是采用不用容性负载的线路设计。
（a）（b）
图9.3电容性负载接通时的浪涌电流
（a）电容性负载回路；（b）电容的充电电流
（a）（b）
图9.4电容性负载接通时冲击电流的抑制措施
（a）接入限流电感；（b）电容性负载接通后自动断开限流电阻
9.1.3断开电感性负载时产生的浪涌电压
在高压功率开关电路中，常采用功率管驱动电感负载（如变压器、继电器等），如图9.5（a）所示。
在这种情况下，当电路输出由通态向断态转换的瞬间，由于电感负载上流动的电流突然被中断，在电感中会产生与原来电流方向相反的浪涌电流，在电感的两端会形成一种反冲电压，其大小为
，其波形如图9.5（b）所示。
正常电流越大或者电感量越大，所产生的反冲电压也越大。
反冲电压的幅值有可能比电源电压高倍10～100倍，极易引起器件的击穿。
为了抑制这种电感负载产生的瞬态反冲电压，保护驱动器件，可在电感两端并接一个保护电路，可采用以下几种形式：
（1）并接一个电阻R。
如图9.6（a）所示。
当R≈Rc时，瞬态反冲电压可以限制在于电源电压近似的幅值上。
但由于电阻R要消耗功率，使电路的功耗大为增加。
（2）并接一个RC支路。
如图9.6（b）所示。
当电感中有正常电流时，RC支路并无电流；当电感中的电流突然中断时，电容C被反向电压瞬间充电，电容的初始工作状态等效于短路，则通过电阻R泄放电流，这就抑制了瞬态反冲电压。
应该看到，该电路基本上是共振电路，为防止发生阻尼振荡，应保证电路的Q值等于或小于1/2。
为此，电路的峰值电压
（a）（b）
图9.5电感负载断开时的反冲电压
（a）电感负载电路；（b）电感的反冲电压波形
V应根据条件
来选择，即
（9.1）
按照Q=1/2选择R，则有
R=4πfL（9.2）
f是共振频率，由下式决定
（9.3）
应根据负载电感L的大小和峰值电压V的要求，利用上述诸式，选择R和C的值。
也可根据经验公式来估算，电阻可按
（9.4）
取值。
电容值一般每1A负载可取1μF左右。
（3）并接二极管。
如图所示。
该二极管的反向击穿电压应该大于驱动晶体管的输出端工作电压。
在负载正常通电时，二极管反偏，无电流流过；当瞬态反冲电压产生时，二极管导通，将电感上的瞬态反冲电压抑制的很低（0.6V左右）。
当将这种方法用于交流电路时，二
（a）（b）（c）（d）
图9.6电感负载反冲电压的抑制电路（VT为被保护的VMOS功率管）
（a）并联电阻；（b）并联RC支路；（c）并联二极管；（d）齐纳二极管钳位
极管反向恢复时间会对电路的速度和工作频率产生不利的影响，为此可串入电阻R，以缩短衰减时间，减少瞬间二极管电流和电压的上冲。
当作高速开关应用时，必须采用快速开关二极管（如肖特基二极管）。
（4）采用齐纳二极管箝位。
如图9.6（d）所示，采用齐纳二极管限制浪涌脉冲的尖峰，可将大部分瞬间过电压都“吸收”掉。
齐纳二极管的基准电压应该大于驱动晶体管的工作电压，但小于驱动管的最大额定电压。
应该注意，上述保护回路中流动的闭环电流，是一种含有十分高的频率成分的干扰电流，而且其瞬时值也很大。
它通过布线会形成较强的辐射，对邻近电路造成影响。
所以无论业哪一种保护电路，都应尽量缩短电路本身的引线，并尽可能地靠近电感相连接。
要绝对避免用很长的线将保护电路装接在其它地方。
在自动控制系统中，常要驱动继电器输出。
继电器作为电感性负载，在闭合断开时，会产生强烈的浪涌电压。
不仅如此，当继电器的机械触点断开造成电感性负载的电流突然中断时，电感内部的能量要通过触点间的火花放电或者辉光放地而消耗掉，形成如图所示的触点间电压和电流的波形曲线，显然，这也会造成强烈浪涌噪声。
当触点间电压较低时（如为十几伏），只发生火花放电；如果电压很高（如高于300V），就会发生更为强烈的辉光放电。
继电器产生的浪涌噪声也可采用图9.6给出的方法进行抑制。
例如，在继电器线圈的两端并接箝位二极管，可以抑制电感反冲电压引起的浪涌；如果继电器线圈或触点的外接连线较长，则在连线的两头都应加箝位二极管，以防止连线自身的电感和电容引起反冲脉冲电压。
最好的方法是用光电耦合器取代继电器，从而彻底消除这种浪涌干扰的产生根源。
图9.7继电器触点断开时的电流-电压波形
[实例]继电器引起的浪涌造成的双极型集成电路失效
A所为某工程研制的三台计算机分三次送B所，与B所的控制系统作联机匹配试验，结果A所计算机均发生故障而被退回返修。
经检查发现，A所计算机上的接口电路SN55189（线路见图9.8）失效，主要表现是功能异常，输入端对地漏电过大。
解剖后发现，电阻R1在与隔离墙相近的接触孔附近与地之间（即图9.9中的B点）发生击穿，有烧毁发黑的痕迹。
同时，VT1管的发射结也有轻度电损伤。
图9.8SN55189电路的线路图
对SN55189进行了电浪涌试验，当在输入端（4）施加的瞬间浪涌电压上升到＋57V时，电路发生失效，失效特征和失效部位与原电路相仿。
据此，可以判断出SN55189的失效是输入端（4）引入了电浪涌所致。
由图9.9可见，当（4）端与地之间的电压如果超过了电阻岛与隔离墙间的击穿电压（一般为30～50V），就会发生击穿，在A点与B点之间形成导电通道，使漏电流激增。
由于R1的限流作用，此浪涌电压对VT管的破坏作用相对较弱。
为了查明电浪涌产生的原因，用HP1744A存贮示波器对B所控制系统的输出信号进行了检测，结果发现了电浪涌脉冲，峰值达45V。
进一步检查，发现有一个继电器的绕组与控制系统输出端相连，故电浪涌很可能是由于继电器开关转换的瞬间产生的反冲电压引起的。
图9.9SN55189电路R1附近的结构剖面图
9.1.4驱动白帜灯时产生的浪涌电流
电子设备中的各种指示灯常用白炽灯。
当用功率开关器件驱动白炽灯时，驱动器件要承受两种浪涌电流，即冷电阻浪涌电流和闪烁浪涌电流。
冷电阻浪涌电流发生在灯泡刚刚开启的瞬间。
当白炽灯未点亮时，灯丝是冷的，电阻很小，在电路接通的瞬间，灯丝上突然流过比稳定时得5～15倍的浪涌电流（见图9.10（a）），灯丝受热后电阻变大，电流才变小而稳定下来。
如小型灯泡的正常稳定电流是50mA，则浪涌电流瞬间可达0.5A左右。
闪烁浪涌电流则发生在充气灯具的失效期间，灯丝烧毁，形成电弧，在2～4ms内，浪涌电流可达几十安培。
（a）（b）
（c）
图9.10抑制白炽灯浪涌电流的措施
（a）浪涌电流曲线；（b）采用分流电阻；（c）采用限流电路
为防止这种浪涌电流对器件带来的破坏，可接入分流电阻，如图9.10（b）所示。
在灯暗的时候，经分流电阻，流过一定的暗电流，以减少浪涌电流。
也可采用专门的限流电路来限制浪涌，如图9.10（c）所示。
从器件的选用来看，为了防止浪涌损伤，一是要选用额定值高的器件，不能仅按照稳定状态的额定值来选用器件；二是采用抗浪涌性能好的器件，如采用VMOS功率管，而不采用双极型功率管。
9.1.5供电电源引起的浪涌干扰
1.交流供电电源引起的浪涌
考虑到市电电源不稳定，设计电子设备时，一般允许电源电压变化10％，但是，由于各种与市电电网相接的电气设备以及其它因素，电网电压经常会发生更为剧烈的波动。
表9.1电网上浪涌电压的起因与幅值
种类
原因
浪涌电压幅值
雷击
直接雷击
雷电感应
1000kV
线间6kV，对地12kV
开关
大型电气设备的通断
三相电未同时投入
常规电压的3～4倍
常规电压的2～3.5倍
接地
对地短路时
接地开路时
常规电压的2倍
常规电压的4～5倍
在电网中产生浪涌电压的原因大致有以下几种：
电网上因直接受到雷击或雷电感应所产生的浪涌电压；大型耗电设备（如风机、空调器、电动机等）和大功率负载在接通或断开的瞬间产生的浪涌电压；电网上所连接的电气设备电源对地短路引起的电网波动；各种电气设备工作时产生的浪涌馈给了电网等等。
各种原因所产生的浪涌电压的大小见表9.1。
可见，雷击产生的浪涌电压幅度最大。
为了抑制电网电压的波动，可在交流电源输入端加上电源滤波器。
电源滤波器是一种让电源频率附近的频率成分通过，而使高于此频率的成分很大衰减的电路。
它不仅能够抑制电网传人的干扰和噪声，而且可以抑制电路本身产生的干扰信号，以免危害其它电路或设备。
常用的几种电源滤波器的构成如图9.11所示。
图（a）中的电容C并接在电源两端，可以滤除电源中的串模干扰（即加在电源线之间的干扰），并接在电源与地之间可以滤除电源中的共模干扰（即加在电源线与地之间的干扰）。
图（b）和图（e）电路用于滤除电源中的共模干扰，图（d）则用于滤除串模干扰。
L1和L2一般可选几百mH左右，C取0.047～0.22μF。
图（c）中，C1和C2对滤除共模干扰起作用，C3对滤除串模干扰起作用，C1和C2一般选用2200pF左右，C3取0.047～0.22μF。
（a）（b）（c）（d）（e）
图9.11各种电源滤波器的构成
电源滤波器所采用的电容器均要求高频特性好，引线电感小。
安装电源滤波器时，应注意必须加接地的金属屏蔽罩，滤波器的输入与输出线应使用屏蔽线，而且要互相隔离，不要捆扎在一起。
电源线应该先经过电源滤波器再进入开关，不要先经过开关再进行滤波。
2.直流稳压电源引起的浪涌
直流稳压电压可分为传统的线性稳压电源和新发展起来的开关稳压电源两类。
开关稳压电源最容易引起的浪涌，不仅对其内部的功率晶体管构成威胁，而且会对由该电源供电的电路的正常工作和可靠性产生影响。
在本书的12.1.3节对此作了详细分析。
为了避免开关电源中产生的浪涌噪声对负载电路的影响，可让开关电源的两根输出线通过一个铁氧体磁珠（见图9.12（a）），它等效于一个抗共模扼流圈，可以有效地抑制电流脉冲引起的高频噪声干扰。
采用双绞线作为开关电源的输出线（见图9.12（b）），它相当于一个多级π型滤波器，也有一定的效果。
最好的方案是使双绞线穿过铁氧体磁珠，实验表明，采取这种措施后，可使噪声从原来的200mV降至40mV左右。
线性稳压电源引起的浪涌，多发生在电源的接通和断开的瞬间。
性能不好的稳压电源，在电压建立或消失时出现的电压过冲，可能比正常的稳定电压高几倍。
电子元器件与阴极射线管装在同一台设备里使用时，如果信号线靠近高压电路，就会受到高压放电所产生的浪涌电压的影响。
为此，可在器件输入端增加RC电路来吸收电浪涌，如图9.13所示。
在不影响电路正常工作的前提下，RC时间常数应按能充分吸收电浪涌脉冲的原则来选择。
高频电路中的晶体管基极，不能采用电容接地，可在基极串联适当电阻来削弱电浪涌信号的影响。
（a）（b）
图9.12抑制开关电源噪声传播的方法
图9.13器件输入端的电浪涌保护电路
[实例]直流电源中的浪涌电压导致二极管损坏
某单位研制的电子装备中用的二极管，在高温反偏筛选后，复测时发现大多数二极管已击穿，但经检查，筛选时所加直流电压并未超过规定值，再用示波器检查，才发现电源输出的直流电压纹波中有很高的尖峰，远远超过规定的允许值。
这种尖峰是由直流电源滤波不良引起的，用普通的直流电压表是检测不出来的。
9.1.6接地不当导致器件损坏
在我国，由于地线问题引起器件或整机烧毁的事故时有发生。
为此，应该严格按照电子元器件和有关整机的使用要求，认真接好地线。
一个值得高度重视的问题是，不要将“地线”与三相交流电中的“零线”上会有50V左右的电压，特别容易引发CMOS电路的闩锁失效，严重时可能使器件烧毁。
因此，在电子元器件的使用单位，最好是按技术要求单独埋设专用地线。
地线的接地电阻要小于1Ω，禁止将地线接到三相交流电的零线、自来水管、暖气管道和避雷地线上。
另一个实际问题是，我国曾广泛使用的电源插头插座是二线的，即一根火线，一根零线，应该按照先行国家有关标准改为三线制，即一根火线，一根零线，一根地线，改地线是单独的，不能和零线相接。
这种三线插头插座的正确接法是“右火、左零、上地”，如图9.14所示。
整机电源、调试仪器以及电烙铁等设备工具的外壳必须接到地线，而非零线。
此外，还有许多场合也会产生电浪涌，如示波器、脉冲信号发生器等电子测量仪器在某些开关转换的瞬间。
电容或电感负载的充放电，用电路驱动发光器件的瞬间，在高压范围内进行功能检验时由于接触不良引起的打火，都有可能产生电浪涌。
在这些情况下，可采用箝位二极管来抑制浪涌电压，采用限流电路或分流电路来抑制浪涌电流。
图9.14三线电源插座接线位置正视图
〔实例〕高温烘箱外壳接三相交流电零线导致CMOS电路损坏
国内某单位研制的CMOS电路新品经用户试用几百块，反应良好，未有一块失效。
在召开该产品鉴定会时，13块抽样样品顺利通过常温和低温测试，但在高温测试时出现一块失效，加倍到26块器件再作高温测试，又出现两块失效。
对测试设备进行仔细检查后，发现高温测试所用烘箱的外壳是接在三相交流电的零线上，用试电笔测量外壳是带电的，用万用表测得烘箱外壳与人体之间的交流电压有50~60V左右。
如果测试人员用金属夹子夹住CMOF电路的一些管脚，而器件的另一些管脚碰到烘箱外壳，则该器件迅速损坏。
这说明外壳上带的50~60V交流电压施加在CMOS器件的管脚之间，超过了器件的耐压，使其因击穿而失效。
查明原因之后，把烘箱外壳与三相交流电零线脱开，接到专用地线上，随后对50多块该器件产品的高温测试，均完全合格通过。
由此例可知，在对器件进行测量、试验、安装和老化筛选等过程中所使用的各种仪器、设备、电源和烘箱等的外壳必须妥善接地，绝对不能接到三相交流电的零线上。
9.1.7TTL电路防浪涌干扰应用
为了防止TTL集成电路受到过电压或过电流损伤以及噪声干扰的影响，使用时应遵循以下规则：
1.具有图腾柱或达林顿输出结构的TTL电路不允许并联使用，只有三态或具有集电极开路输出结构的电路可以并联使用。
当若干个三态逻辑门并联使用时，只允许其中一个门处于使能状态（“0”态或“1”态），其它所有门应处于高阻态。
当将集电极开路门输出端并联使用时，只允许其中一个门电路处于低电平输出状态，其它门则应处于高电平输出状态。
2.在使用TTL电路时，不能将电源VCC和地线颠倒错接，否则将引起很大的电流而有可能造成电路失效。
3.电路的各个输入端不能直接与高于＋5.5V和低于－0.5V的低内阻电源连接。
因为低内阻电源能提供较大电流，会由于过流而烧毁电路。
4.当将一些集电极开路门电路的输出端并联而使电路具有“线与”功能时，通常应在其公共输出端加接一个上拉负载电阻RL到VCC端。
5.TTL电路的输出端不允许与电源短路，对地短路也应尽量避免。
当一个管壳内封装有若干个单元电路时，不允许其中的几个单元电路的输出端同时瞬间接地。
当几个输出端同时接地时将有数百毫安流过电路，从而引起电路的过热或过流而将电路损坏。
个别输出端不得不接地时，接地时间也不要超过1秒。
6.有时TTL逻辑电路的多个输入端并未全部使用，那些未使用的输入端如果悬空，相当于输入端处于阀值电平，特别容易使电路受到各种干扰脉冲的影响，不能可靠工作。
同时，这些悬空输入端相当于浮置pn结电容，会使电路的开关速度变慢，对甚高速器件影响更大。
所以，对TTL电路的悬空输入端必须进行若干处理。
具体方法是：
（1）“与门”和“与非”门电路。
将“与非”门电路不使用的“与”输入端和触发器不使用的置位、复位端直接连到电源VCC上，使输入端处于电路中的最高电位上，从而不易受外界干扰。
这是最简单的方法，但当VCC的瞬时值超过5.5V时，输入端容易受到损坏，而且还会产生较大的反向电流流入电路中。
因此，最好是将不用的输入端通过一个1kΩ左右的电阻接到VCC上，一个1kΩ电阻可以接1至25个不用的输入端。
这样，如果VCC瞬时值超过5.5V，一个1kΩ电阻还可以起到保护作用。
也可把电路不使用的输入端并联到同一块电路的一个在用的输入端上。
上述方法可参见图9.15（a）。
（a）
（b）（c）
图9.15TTL电路不使用输入端的处理方法
（2）“与或非”门。
如果前级驱动器有足够地驱动能力，可将“与或非”门不使用的“与”
输入端直接连到该“与或非”门的已使用的某一个输入端上，也可把不使用的“或”输入端接地。
如图9.15（b）所示。
（3）要绝对避免悬空的输入端带开路长线。
7.当使用集成度较高的门电路芯片时，如“二输入端四与非门”、“六反相器”等，有可能出现闲置不用的门电路。
这时，应使这些不用的门电路处于截止状态，以便减少整个电路的功耗，有助于提高系统的可靠性。
应将闲置“与非”门、“与或非”或反相门的所有输入端接地。
前述其它“与非”门的不使用的输入端可接到该门的输出端上，如图9.15（a）所示。
8.对于大多数的TTL电路，如果加上具有非常缓慢的上升沿和下降沿的波形，则在其输出端容易出现不稳定的振荡现象。
因此，TTL电路的上升和下降时间不能过长。
作为一般要求，构成逻辑电路时，该时间不能长于1μs；时序电路的时钟脉冲输入时，不能长于150ns。
如果不得不在输入端加长上升或下降时间的信号，则应接入施密特电路经过波形整形之后，再输入TTL电路。
（a）（b）
图9.16TTL集成电路的外围保护
为了防止浪涌电压对TTL电路造成的破坏，可加图9.16所示的保护电路。
在图（a）中，二极管VD1用来防止输入电压超过电源电压VCC，电容器C1用来吸收电源线上的高频瞬变电压。
在图（b）中，二极管VD1和VD2把正向输入电压限制在VCC以下，并使负输入电压接地；二极管VD3防止输出电压降到地线电压；电容器C1同样是用来吸收电源线上的高频瞬变电压的。
这里使用的三个保护二极管VD1、VD2和VD3最好采用9.5.1节介绍的瞬变电压抑制二极管。
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