隨著微電子技術的發展,大規模及超大規模集成電路相繼出現,且廣泛用于通信、測量、監控和計算機系統等電子設備(系統)中.這類元器件具有著極為廣闊的發展前景.然而,他最明顯的缺點就是抗過電壓能力和抗干擾性能力很低,易受雷電等電磁脈沖和其他過電壓的損壞,繼而造成電路和設備的損壞.
一、設備受雷擊的途徑
雷電直擊地面(物體)和/或空中雷云間放電時產生強烈的沖擊電磁場,在設備和傳輸線上感生雷電過電壓,從而損壞設備或傳輸線路.從所掌握的資料表明,除少數屬雷電直擊或空間感應外,絕大部分是因為雷電行波從室外的傳輸線引人而損壞設備的.這些室外傳輸線包括傳輸信息的金屬引入(出)線路和用以饋電的交(直)流線路.傳輸信息線路有架空線路、埋地線路、鋼軌或其他類似的傳導體.而架空線主要指通信明線、架空電(廣)纜或其他性能相近的線路;埋地線路則有埋地(對稱、同軸)電纜和光纜等.傳輸線路上引入的過電壓分為縱向(共模)過電壓和橫向(差模)過電壓兩類.在平衡(對稱)線路上某點出現的線與地之間的過電壓成為縱向過電壓;平衡(對稱)線路間或不平衡線路(如同軸電纜)的線路與地之間出現的過電壓成為橫向過電壓.一般情況下,橫向過電壓低于縱向過電壓.但在比較極端的情況下,橫向過電壓可具有與縱向過電壓相同的幅值和特續時間.若某些系統有中繼設備和遠供回路時(如通信系統的增音機),當前、后段的線路感應有不同的過電壓時,還會造成順線路方向的縱向過電壓,同樣損壞設備,這一點易為人們所忽視.傳輸線路因其自身結構的原因、雷電行波傳輸過程的差異,以及縱向保護元件動作時間的不同等,令分別出現在量平衡獻上的縱向過電壓不相等,從而形成橫向過電壓(不平衡線路上的橫向過電壓即縱向過電壓).縱向過電壓損壞設備線于地(機殼0之間的絕緣,但橫向過電壓則像信號般在線間傳輸,盡管其幅值不很高,卻足以損壞既敏感,耐壓水平又很低的元器件和內部電路.
二、雷擊保護的基本原則
欲使設備得到很好的保護,首先應對其所處的環境、受雷電影響的程度做出客觀的估計,因他于出現 過電壓的幅值、概率、網絡結構、設備抗電能力、保護水平和接地等有關.不過,防雷工作應作為一項系統工程來考慮,強調全面防護(包括建筑物、傳輸線路、設備和接地等),綜合治理,且要做到科學、可靠、使用和經濟.我們并不一定要求對雷電進行100%的防護,允許有一定的風險率,這當然應通過一定的技術經濟比較以后才可確定.總的來說,考慮防雷時可歸納為如下3種主要方法.
1. 采用躲避的方法
這是非常重要的、經濟有效的措施.應正確的選擇線路的路由、站址(設備安放點),有意識的盡量避開在理論上、經驗上和實際上證實的雷擊區或雷擊點.
2. 對雷電進行橫截
這需要外加一定的保護元器件,旁路或限制進入系統內的雷電壓(流),從而減輕系統受損的程度或在系統能承受的水平之下.
3. 提高系統的耐雷水平
從改善系統的結構人手,通過對危險性的估計,規定線路、設備的介質絕緣強度、耐沖擊能力等,提高其自身的耐雷能力(改善設備的伏秒特性).
三、保護元件的選擇
上一張提到的三條保護原則中,后面兩條均需要外加一些保護元件才能實現.本章僅就常用保護元件的選擇問題作進一步論述.
1. 保護元件的分類
保護元件的分類
保護元件從不同角度考慮,可粗分如下.
(1) 從導通的類型分
空間空隙:如空氣隙碳精放電器
放電型
密封間隙:如氣體放電管
開關型:順態二極管
限幅型 :壓敏電阻、穩壓管(齊納管) 、開關二極管
(2) 從功能分.
開關型
過壓保護 放電型
(并聯用) 限幅型
過流保護 非自復型
(串聯用) 自復型:正溫度系數熱敏電阻
不中斷 隔離變壓器
傳輸信號 排流線圈
上述的保護元件可以是單個元件,也可以由幾種不同功能的元件組合而成為更復雜的組件(后文還會提及).
2. 保護元件應具備的特性
本文主要介紹過電壓保護元件的特性.過電壓保護元件與迅速的將外來的沖擊能量全部或部分分瀉放掉,不讓其進入設備內部,達到保護的目的,其必須具備如下的性能.
(1) 能承受一定的沖擊能量,尤其是在于其強大的雷電流作用下也不致損壞.
(2) 能迅速的抑制瞬間過電壓,且其殘壓應低于設備的安全值.
(3) 對過電壓的影響速度要快.在正常狀態時是高阻抗.且從高(低)阻抗狀態轉到低(高)阻抗狀態的時間極短.
(4) 元件本身有高的可靠性和穩定性,受多次沖擊而性能不變.
3. 主要保護元件的電氣性能
(1) 氣體放電管.將一個或一個以上的放電間隙封裝在玻璃、陶瓷管或其它介質內,管內再充以一定壓力的惰性氣體(如氬氣等),就構成了一支氣體放電管(下稱放電管).常用的有二極管和三極管,亦曾稱有五級放電管.
放電管主要的電氣指標有標稱直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、耐工頻電流能力和耐沖擊電流能力等.標稱直流擊穿電壓是在放電管擊間施加緩慢上升的指示放電管發生了擊穿時刻的直流電壓(如圖1所示中的VA).它反映了放電管可以使用的場合,而不導致電路工作不正常.放電管未擊穿前相當于開路狀態.沖擊擊穿電壓則指放電管在沖擊電壓作用下的擊穿(動作)電壓值.這個值非常重要,他代表其保護效果的好與壞,通常他甚至高于標稱直流擊穿電壓值.如標稱值為230V的放電管,其沖擊擊穿電壓值(殘壓)約高達600~800v(1Kv/μs),如圖1所示中的VA.

沖擊擊穿電壓值與施加至極間沖擊波性的波前(沿)陡度有明顯的關系,即波前越陡,電壓值越高,反之亦然.當陡度降得很緩慢時,即為標稱直流擊穿電壓值.這一特性常以放電管沖擊擊穿電壓和放電(動作)時間關系的“伏秒特性”曲線來描述(如圖2所示).圖中的曲線越平直、越靠近Vdc值,則其保護效果越好.

耐電流能力可以說是壽命指標,也可以說是能力指標.表明他承受工頻點六和沖擊電流的水平,也是一個重要的指標.耐沖擊電流的數值與所加沖擊電流波形直接相關,不同的波形,其值差別很大.放電管的耐沖擊電流可達20kA(8/20μs)以上.對于氣體放電管的指標要求,國標GB9043和I-TU-T(原CCITT)的K.12建議都有明確規定.應特別提出的是“橫向電壓”指標,以其3個(以上)間隙的擊穿時間差來衡量,也是三級以上的放電管所獨有的.三(多)級放電管最大的優點是將3個以上的間隙密封于一個空間內,當其中任一間隙擊穿放電時,由于氣體的電離和光的作用等,提前引發其余間隙迅速放電,令各電極間的電位差很小,即橫向電壓很低.這對平衡電路的橫向保護有很好的效果.
1個三級放電管[如土3(a)所示]其保護效果優于使用3個二級放電管[如圖3(b)所示],更優于僅使用兩個縱向保護二級放電管[如圖3(b)所示中沒有G3的情況].通常在a、b線上所感應的雷電壓Uae(U’ae)和Ube(U’be),當線路結構、絕緣等條件相同,放電管尚未擊穿前,Uae(U’ae)≈Ube(U’be),則Uab(U’ab)≈0.但當放電管一旦擊穿,可能出現下列兩種情況.

4所示的時間差ta-tb,橫向電壓Uab(U’ab)≠0,GB9043中規定ta-tb≤200ns,當沖擊波形的上升速率規定后,實際上是限制了橫向電壓的值.

由于氣體介質中的擊穿放電是隨機現象,故對他的擊穿電壓(包括直流和沖擊)值不能簡單的一個別樣品的個別數據來判定.多年來,我們通過對大量實測擊穿電壓值進行研究,觀察其實際分布情況,并利用亨利直線法進行檢驗.結果表明,放電管的擊穿電壓基本上符合正態分布.所以,用統計評定方法是可行的,這已在GB9043中使用,ITU-T也以此為基礎修改了K.12建議.其實,保護性能的優劣,主要比較保護元件在沖擊電壓(電流)作用下放電時,極間殘壓的高低,當然是越低越好.以往對殘壓這個概念有些人產生誤解,認為擊穿(放電)后的極間電壓(如圖1所示的VC)為殘壓,其實不然.因為比VC高得多的VA等早已進入設備內部,甚至損壞設備(電路).所以,對殘壓的更準確理解為包括為使保護元件動作的過電壓,保護元件動作前的瞬態、保護元件動作后的端電壓和保護動作引起的電路順保護元件動作后的端電壓和保護動作引起的電路瞬態等.因而在進行保護設計時必須考慮上述各種過電壓值,否則,該保護設計是不成功的.
(2) 壓敏電阻.壓敏電阻是一種由氧化鋅(或碳化硅)晶體微粒組成的多晶半導體過電壓抑制器件,典型的限幅型過電壓保護器件.實際上是一種電阻值隨外加電壓變化的非線性元件(如突5所示)與放電管相比,他對沖擊電壓的相應更快,可達納妙級.壓敏電阻的主要技術指標有壓敏電壓、殘壓或殘壓比、耐流能力和極間電容等.

從圖5可看出通過壓敏電阻的電流I不同時,兩端的電壓是不同的(非線性),為了便于統一、比較和使用,規定通過的電流為1mA是兩端的電壓成為“壓敏電壓”(也有成起始電壓),記作U1mA,也是標稱值.而被保護點的工作電壓值應低于此值,越僅為U1mA值得0.75倍或更低.殘壓含義如前所述,他指壓敏電阻上通過某一量級的沖擊(浪涌)電流是兩端的電壓值.當不同的壓敏電阻統一相同的沖擊電流(如10kA)時,殘壓低的保護效果較好.若已通過不同的沖擊電流而評定其殘壓高低或保護效果的優劣是不準確的.因為不同產品、規格的壓民電阻其伏安特性會有較大差異.壓敏電阻有一個衡量其吸收能量能力的指標,稱為非線性系數α,其定義為:
(……)
從保護觀點來看,顯然α值越小越好,α值越小,說明流經壓敏電阻的電流變化很大,而端電壓變化很小.也就是說,增加的電流部分,幾乎全部都被非線性電阻吸收.若α值接近于零,表示端電壓與其上流過電流的大小無關,近乎常數,這是最理想了的.優勢,相關的資料上沒有提供殘壓指標,卻給出“殘壓比”的數值,作用都是一樣的.“殘壓比”意指通
過某一量級沖擊電流時的殘壓(如突5所示的U1)值與壓敏電壓(U1mA)值之比,即:
殘壓比=U1/U1mA所以,當知道殘壓比后,從上式可很容易算的殘壓值U1(某量級的沖擊電流下),給保戶設計帶來方便.目前的殘壓比約為1.5~3.0.選用壓敏電阻時,多以標稱值即壓敏電壓值為依據,在進行保護設計時更關鍵的是知道其殘壓值.
壓敏電阻能力的強弱以耐流能力(通流容量)來衡量.理論上耐流能力越強越好,這樣可以承受較強電流的沖擊.但實際使用時則有具體情況酌情選用.常用的壓敏點阻耐沖擊電流能力亦高達10kA(8/20μs)以上,只是體積和電容量隨通流容量的增大而增大.
還需要考慮的是壓敏電阻的阻值(非動作時)并非無限大,工作與有恒定電壓的情況下,會存在一定的漏電流,若產品質量不好,漏電流會逐漸增大甚至自行損壞.況且,長時間流過這些微弱電流也會形成溫升,只是慢慢老化而縮短壽命或發生爆炸.隨著技術水平的提高,上述情況已有所改善.
(3) 瞬態二極管.瞬態二極管(臨時稱謂)是由兩個背靠背的PN結組成的開關型半導體元件.亦有稱半導體浪涌抑制器,相對氣體放電管而言,亦有稱固體放電管或半導體放電管,皆因其伏安特性(如圖6所示)與氣體放電管類似之故,但其機理卻截然不同,這樣稱呼是不恰當的.它具有響應速度快(納妙級)、擊穿電壓一致性好、殘壓低等優點,但耐流能力卻不如氣體放電管及壓敏電阻.

瞬態二極管的主要技術指標有不動作電壓、最高限制電壓、耐流能力、極間電容及源電流等.
不動作電壓或稱最低限制電壓,它指該管保持高阻狀態時所能承受的最高電壓值(如圖6所示的UA).此值因與流過的電流有關,因而規定電流為1mA時的電壓即為不動作電壓.從某種意義上講,不動作電壓可以認為是生產廠家給出的標稱值,反映它在不影響正常工作情況下所能應用的場合.最高限制電壓(如圖6所示的UB)是在規定電壓上升速率的條件下,管子兩端允許出現的最高電壓值.電壓上升速率有兩種規定:其一是100kV/s的速率下得出的值,表明電壓上升速率較緩慢時,必須在此值以下動作(導通),反映的是“準穩態”性能;其二是1kV/μs的速率下得出的值,反映管子在碰見瞬態電壓(如雷電壓)時,兩端可能出現的最高電壓值,該值越低,則保護效果越好,類似于“殘壓”的概念.目前規定此值小于400V,約為氣體放電管的一半.耐流能力的含義與前述相同.瞬態二極管這種能力低于氣體放電管和壓敏電阻.此外,極間電容與漏電流是靜態指標,只要不影響正常工作即可.極間電容值較大則限制了它在高頻段上的使用.
(4) 穩態(齊納)管和開關二極管.他們均屬于半導體元件,因其動作速度快(納妙級),限幅電壓很低,是電子設備中“細”保護必不可少的元件,靠其伏安特性的箝位作用而達到限幅保護的目的.耐流能力低是其突出的缺點.穩壓管利用它反偏電壓超過規定值(如圖7所示U2)時而進入導通狀態,流經管子的電流迅速增加,從高阻狀態旋即進入低阻狀態.管子兩端的電壓變化很少,箝位在所要求的電壓上.如果將兩個穩壓管反極性串聯在一起,就能達到以正、反向限幅保護的目的(如圖7所示).不過,硅管比鍺管能耐受更大的功率,故保護多使用擴散結硅穩定管,市場出售的2CW系列管,可提供從幾伏至上百伏的限幅保護.正向使
用則可實現0.7V的極低限幅電壓的保護值.

硅開關二極管與齊納不同,其方向特性在擊穿之后不能恢復.所以,主要利用正向特性進行極低電壓的保護,限幅電壓也為0.7V.當然,若用n個管子串聯,可得0.7nV的限幅值.常用的國產管有2CK114或2CK115等.
(5) 正溫度系數熱敏電阻器.這是一種電阻值隨溫度增加而增加的非線性元件,主要起限流作用.當受外來的過電流(非雷擊)影響時,規定的短時間內電阻值急劇增加,從而限制回路上的過電流(如工頻)在允許的范圍內,保證了設備的安全.但他對雷電的反應很遲鈍,不起防雷電(過電流)作用,只是很多保護電路上都有使用,便在此略提一下.
針對上述的幾種保護元件的特性,現做一粗略的比較,如表1所示,以供參考.

4. 保護元件的選擇
選擇保護元件主要考慮以下幾點.
(1) 首先應確定保護元件的靜態工作范圍,據此選取合適的標稱值.如氣體放電管的標稱直流擊穿電壓、壓敏電阻的壓敏電壓值、瞬態二極管的不動作電壓值和穩態管的穩壓值等.這些標稱值應高于該電路可能出現的最高穩態電壓值(供電電壓、信號峰值電壓等的疊加值).至于開關二極管很多是以兩只管反向并聯使用,獲得雙向保護[如圖a8所示],這時,a、b線間的穩態電壓值必須小于0.7V(并留有余量),否則會影響電路的正常工作.若這時不能滿足要求,可以如圖8(b)所示的方法獲得0.7nV的電壓值.而穩壓管亦可采用此方法,甚至必要時穩壓管和開關管按需混串后再并聯使用.這樣可以獲得多種穩態電壓值和不同的電容值.

(2) 保護元件本身固有電容值是否影響信號的傳輸,它對高頻電路(如天饋線輸入、人部分)中的保護元件尤為重要,氣體放電關在這方面有較大的優勢,其電容值約5pF或更低.
(3) 保護遠見的殘壓無論何時都應低于被保護設備或電路的損壞電壓,最好還有一定的程度.氣體放電管一節中曾提到“伏秒特性”,其實每一種保護元件都有此特性,它能動態的反映保護效果.同樣,每一被保護設備或電路也有它們各自的“伏秒特性”,只不過它動態的反映地是其損壞值(安全值).保護設計時這兩種伏秒特性要互相配合好.顯然,從保護角度來看,保護元件的伏秒特性任何時候都應在被保護對象的伏秒特性之下(如圖9所示),這是的保護是“全方位”的、最有效的.如圖10(a)所示中表示C點左邊為“保護區”,設備得以保護,而C點的右邊卻是設備(被保護的)反過來“保護”了保護元件,設備必遭損壞,為失去保護區,這與設計的初衷是相反的.

通常保護元件的數據僅提供沖擊波形前沿為某一上升速率下的殘壓值,也即是其伏秒特性中的某點,遠非其全部,這當然給保護設計帶來困難.所以,必要時應測出保護元件的伏秒特性.至于被保護對象的伏秒特性更是無從可得,非親自努力獲取不可,難度自然更大一些,如果能這樣,當時最佳選擇.倘若為了簡化工作,按個方面要求選好保護元件并安裝好,再用不同上升速率的或可能出現的沖擊波形進行模擬雷擊試驗,以檢驗保護效果能否達到預期的目的.
(4) 根據設備或電路的需要,選取有足夠耐流能力的保護元件.我們總希望有盡量多的沖擊電流(能量)通過它旁路,不進入設備內部,而其本身亦安全無恙.否則,被擊壞之后,若不能及時發現和更換,隨之而來的浪涌即會造成損壞.那么,如何確定需要的耐流能力?首先考慮環境條件、雷暴日數、雷電強弱以及損壞概率等.如果用于緊靠外線連接處,保護元件需承受如上推斷的最大的沖擊(浪涌)電流.其次,要考慮被保護對象是與架空線路連接還是與埋地線路連接.例如,架空線上出現雷電流的概率,超過100kA的約占2%,若經過線路或各種設施的衰減而達到設備時電流就小得多,考慮到電流值用不著達到100kA的水平,連接信號傳輸線路的情況亦如此.我們一般將使用的環境劃分為非暴露環境和暴露環境,既非暴露環境指城市中心區和低暴露活動的地區,其間出現的過電壓極少超過保護遠見的殘壓;暴露環境之處非暴露環境外的其他區域、環境,也包括必須采取一切有效保護措施才能獲得滿意保護效果的特性環境,如市郊、新經濟開發區及強雷暴活動地區等.一般而言,使用在非暴露環境的保護元件2.5~5kA的耐流能力應不會損壞,暴露環境則需要5~20kA甚至更高.
四、 保護元件的應用
1． 多級保護
2． 從上面的介紹可知,耐沖擊能力強的保護元件其殘壓較高,動作速度亦相對較慢,反之亦然.而從線路襲入的過電壓均具有較大的沖擊能量.所以,設置在緊靠外線側的保護元件首當其沖,應能承受產大能量的沖擊,因而用氣體放電管或壓敏電阻最為適合.特殊情況下(如非暴露環境)也可用瞬態二極管.習慣上,這稱之為第一級保護.由于經第一級保護后其殘壓人達數百伏甚至上千伏之高,尚足以擊壞其后的元(器)件,尤其像晶體管、集成電路之類的電路,故也俗稱為“粗”保護,很能突出這一保護級的特點.由此可見,第一級保護之后還必須設置一些對雷電能迅速相應的、殘壓足夠低的保護元件(如壓敏電阻、穩壓管、開關二極管等),稱為第二級保護.經過第二級之后,殘壓依然較高,只有采用三級甚至四級以上的保護才足以把外來的過電壓限制到足夠低的水平上而達到預期的目的.第二(三)級之后的保護相應的稱為“細”保護.防雷技術上把這些通過“粗”、“細”保護結合起來逐級限幅的方法稱之為“多
級保護”.“粗”、“細”保護的技術視具體需要而定.
3． 當進行多級保護設計時,注意的不能如圖11所示那樣簡單的把幾種具有不同耐流能力、響應速度元件并聯在一起,以為它必然按我們所希望的G1→G2→G3順序動作(放電、導通),實際上不一定如此.因為G3和G2的響應速度均高于G1,且其伏秒特性處于不同量極,G1最高、G2次之、G3最低.極可能出現G3先于G2動作(導通),G2先于G1動作(導通),或G2導通后G1不能放電.因而,巨大的沖擊能量僅有耐流能力較低的G2或G3單獨承擔,他們自然易遭損壞.如欲達到所希望的順序放電、導通的目的,應如圖12所示的方法連接,各保護元件間分別串接一個網絡(或元件),它可以是電阻、電容、電感或它們的組合網絡.我們稱之為保護級之間的“隔離”.如果“隔離”不夠,后繼的動作可能影響到前級而損壞耐流能力弱的保護元件或造成保護及之間的過流.

另外,還應注意的是,即使是用兩個相同型號、規格的保護元件,假定每一個的耐沖擊電流能力為5kA(8/20μs),并聯之后的耐流能力不能視之為10kA(8/20μs).因為這兩個保護元件的特性、響應時間等不盡相同,不會同時動作.若10kA的沖擊電流襲入,它們會先后損壞,失去保護功能.
2．增強保護效果的其他措施
當進行保護設計時,還可以采取如下措施以增強保護效果.
(1) 設備電路的接地良好.
(2) 利用增大電流負反饋來限制晶體管等的過流.
(3) 裝有如濾波器等頻率分割部件時,可在不影響電路正常工作的前提下,盡量提高高通濾波器的截頻或盡量降低低通濾波器的截頻,增大阻帶衰耗.
(4) 在不影響正常工作的條件下,電路中可串入近兩大的限流電阻和并聯電容器(容量盡量大),以限制其他過流河旁路過電流.
(5) 盡可能縮短保護元件的引線,直接裝在需要保護的電路上.
(6) 在易受浪涌沖擊的電路中應選用碳膜電阻,不要使用耐沖能力較差的金屬膜電阻.
(7) 高頻電路中使用穩壓管作“細”保護時,應考慮其固有電容值對工作狀態的影響.由于其PN結電容量隨端電壓而改變,即反偏電壓越大,結電容量越小,令偏壓時則最高(如圖13所示).所以,可根據電路對電容的要求,給該穩壓管加上一定的偏執電壓.亦可用如表而敘述的一些方法達到地電容的保護目的