保護電路板上電子元件的半導(dǎo)體器件

　　除了用傳統(tǒng)的氣體放電管、金屬氧化物變阻器（MOV）以及保險絲來保護電路板上的電子元件免受外界的侵襲以外，有效的半導(dǎo)體器件正日漸產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，利用這些半導(dǎo)體器件，可使產(chǎn)品具有抗雷電、靜電放電（ESD）、電瞬變（EFT），電感負載切換以及交流電源波動的能力。使得產(chǎn)品更加耐用可靠，從而降低了產(chǎn)品的修理費用?，F(xiàn)在，已由過去的非限制性標準成了強制性標準，制造商必須使他們的產(chǎn)品滿足ESD 指標的最低水平，否則就不能把他們的產(chǎn)品售往歐洲。

1 造成電子元件損壞的原因

　　過去，只有靜電直接放電才能導(dǎo)致電子元件的故障，現(xiàn)在，由于附近放電而產(chǎn)生的強電磁場就可以輕易地損壞今天的高速系統(tǒng)，且系統(tǒng)速度越快，就越易受到影響。據(jù)Kimmel Gerke稱，1~3ns的放電就可以產(chǎn)生強電磁場。在1ns的時間內(nèi)，放電相應(yīng)帶寬就高達300多兆赫，這就表明，需要VHF/ UHF屏蔽及接地技術(shù)。
　　
　　閃電可以使鄰近雷擊點的地電位產(chǎn)生很大的波動，有時可高達100kV。由閃電而產(chǎn)生的電磁場也有可能帶來麻煩，一個精心設(shè)計的單點接地系統(tǒng)是不可缺少的。然而，在本地網(wǎng)絡(luò)中，只有一端電纜線接地進行屏蔽，這使得網(wǎng)絡(luò)很容易受高頻干擾。
　　
　　Maxim公司研究表明，集成電路在超出額定電壓情況下工作，被損壞的可能性極大，甚至徹底癱瘓。集成電路在斷電或不連續(xù)供電狀況下工作會造成自身損壞或其它線路的損壞 。
　　
　　在模塊控制系統(tǒng)中，由于電源與信號在輸往同一模塊的過程中相互干擾互相影響的故障經(jīng)常發(fā)生。由強電流或高電壓產(chǎn)生的以下結(jié)果將損壞集成電路：

局部過度受熱　　 金屬線受損
硅熔化　　　　　　 電壓過高造成門電路失效
由于硅中混雜有鋁而導(dǎo)致?lián)舸┗蚨搪贰　　　? 電熱傳導(dǎo)導(dǎo)致晶體管受損

2 線路連接中應(yīng)注意的問題和傳統(tǒng)的保護器件

　　ESD電流波的特點是上速度升極快，因此電流在電路中通過時受電路中分散的寄生阻抗的影響很大。注意外部配置將確保集成電路的的良好性能，不同的集成電路，應(yīng)有不同的電路配置，例如，Maxim的接口電路建議以下各點：

　　根據(jù)標準模擬電路接線技術(shù)，把所有的旁路和電荷泵電容器盡量向集成電路靠近
　　在印刷電路上設(shè)置一個接地平面
　　使引線電感和電容最小化，并且使集成電路盡可能靠近電路板的I/O端口
　　
　　一個氣體放電抑制器有兩個電極，他們安置在一個充滿氣體的管子內(nèi)，彼此相距很近。當高電壓（90，150，230，260和350V是典型的氣體管電壓）加到兩極時，管中的氣體發(fā)生電離，電路導(dǎo)通。在斷路狀態(tài)下，管子的電阻很大；導(dǎo)通時，電阻很小。氣體管導(dǎo)通速度相對來說較慢，但可承受很大的沖擊電流。遺憾的是。一些氣體管在經(jīng)受幾百次的沖擊后，就會燒掉。
　　
　　早期的氣體管靠放射性金屬使氣體始終保持部分電離。Semitron通過嚴格控制混合氣體和電極上的鍍層而研制出了一種無須放射性金屬的氣體管。
　　
　　金屬氧化物變阻器 （MOV）價格低廉，能夠通過大電流而不受損，且很耐用。然而，每導(dǎo)通一次，其性能就會下降，在超載狀態(tài)下，它將開路失效。MOV實際上是一種粉末壓實產(chǎn)品，人們普遍認為它比半導(dǎo)體器件的反應(yīng)速度慢（但并不是絕對如此）。
　　
　　理想狀態(tài)下，一個分支保護器件的電容應(yīng)當為零。典型的氣體放電管的電容是1~2.5pF，而半導(dǎo)體器件的電容范圍為100~5000pF。

3 新型的瞬變電壓抑制器及其工作機理

　　瞬變電壓抑制器（TVS）是特別設(shè)計用來提供過壓保護的二極管。TVS 二極管的特點是：電流調(diào)節(jié)能力強, 工作電壓和箝位電壓低、實際反應(yīng)時間快。這些特點使得它成為電路板保護的理想器件。TVS目前已有零售和大批量供應(yīng)。
　　
　　Motorola研制的共陽極單片雙SOT-23封裝的齊納二極管，其特征是：兩個齊納 SOT-23在同一個封裝中，承受電壓的范圍是10V~91V。Motorola同時還宣布其傳統(tǒng)產(chǎn)品的《Technical Zener Handbook》已經(jīng)更新。
　　
　　Maxim研制出的電路板保護器件是和受保護電路串聯(lián)的，而不是并聯(lián)的。MAX366和MAX367是多功能的兩端的電路保護器件。被串聯(lián)于信號線里的每一個這種兩端的保護器件保護的電壓范圍：接近或超過常用的供電電壓直到40V。MAX366包括3個獨立的保護器件而MAX367則有8個 保護器件，應(yīng)用它們能夠保護單極（4.5V~36V）或雙極（± 2.5~± 18V）電源。這些器件是電壓敏感型的MOSFET晶體管陣列。加電時，導(dǎo)通；斷電時，開路。供以± 10V的電壓，導(dǎo)通電阻的最大值是100歐，溫度為25℃時，漏電流小于1nA。
　　
　　當信號電壓超過或達到任何一個電源電壓附近1.5V左右時，保護器兩端電阻明顯增大（無論電源是接通還是斷開時），從而限制了過大的電流和輸出電壓。受保護的一端保持了正確的極性并且將電壓箝制在電源電壓范圍的1.5V以下，沒有“閃爍”或極性反向等現(xiàn)象發(fā)生。
　　
　　AD公司也生產(chǎn)串聯(lián)保護器。單路、三路、八路介質(zhì)隔離的通道保護器件，不管在斷開還是接通電源的情況下，都能對后續(xù)器件提供自動電路保護 。當輸入電壓超過用戶選擇的電源極限電壓時，ADG46×系列可自動地將一個內(nèi)部的開關(guān)斷開，ADG46×系列可承受的連續(xù)輸入電壓范圍為± 35V。單通道的ADG465型，三通道的ADG466型以及八通道的ADG467型器件在雙極性和單極性電源下都能工作。ADG465的接通電阻為50歐，ADG466和ADG467為100歐，輸入漏電流規(guī)定為+500nA（最大值）。
　　
　　可控硅保護器件就象一個沒有門的閘。當發(fā)生瞬變時，在可硅硅瞬變保護器件兩端的電壓將會增大直到達到它的導(dǎo)通電壓。在這時，器件將工作于雪崩方式，這使瞬變電壓被限制而只增加少許，這是因為器件轉(zhuǎn)移了大量的電流。當瞬變電流上升時通過器件的電流將達到極大的水平，導(dǎo)致器件切換到全導(dǎo)通狀態(tài)。在該狀態(tài)時，器件兩端只有少許電壓，從雪崩方式切換到全導(dǎo)通狀態(tài)的電壓通常稱為擊穿電壓。（Breakover Voltage）。
　　
　　當器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時，由于器件兩端的電壓很低，從而限制了在這些器件上的功耗，因而可分流很大電流而不損壞。使該器件重新恢復(fù)到非導(dǎo)通狀態(tài)是由電流來控制的，當電流跌落到某一稱為“保持電流”以下的數(shù)值時器件自動恢復(fù)。
　　
　　N基片和P基片的可控硅器件有一些區(qū)別。P 基片適用于低電壓（150伏以下），因為它們在擊穿電壓時的動作與P基片的有些不同；P基片的器件在擊穿時更“銳利”。 在電壓高于150伏時， N基片的器件顯得更耐用一些。
　　
　　可控硅提供給電路的是二級保護。因為它們是一個半導(dǎo)體器件，工作很快，而且可以維持相對大的電流。當出現(xiàn)一個火花時，器件立即將它箝位到一個初始的導(dǎo)通電壓。如果火花具有相當大的能量，則可控硅再擊穿至全導(dǎo)通狀態(tài)。在這個狀態(tài)，器件兩端的電壓僅有2~4V。

4 電話設(shè)備中的保護器件

　　據(jù)SGS-Thomson微電子公司稱，通訊系統(tǒng)特別容易因雷電感應(yīng)的脈沖而損壞。電話公司必須使用兩級保護：在每根線上的第一級抑制器吸收過電壓瞬變的主要部分，第二級保護器件安裝在單個的抑制電路板上以除去剩余的過電壓脈沖。第一級抑制器必須具有很強的抑制電流浪涌的能力，并能經(jīng)受高電壓。因此，傳統(tǒng)的解決辦法是采用氣體放電管或者碳放電隙技術(shù)。來自SGS-Thomson 公司生產(chǎn)的表面安裝CLP200M保護器件可為電話線提供瞬變過壓和過流保護。這種器件適用于模擬和ISDN（綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）線卡以及PABX系統(tǒng)、主分配機構(gòu)等。一級保護模塊的峰值脈沖電流額定為100A，寬度是10~1000m S。器件符合Bellcore TRNWT-000974和CCITT K20標準，因此可提供可靠的抗雷電脈沖高達4kV的保護以及由于線間耦合或碰線引起的更持久的的保護。
　　
　　數(shù)字式 T1/E1電話線路以其低廉的成本和優(yōu)越的性能很快取代了傳統(tǒng)的模擬式線路。其結(jié)果是，Tl/El線現(xiàn)在被越來越多地用于電話公司的受到保護的中心辦公室以外的環(huán)境，使它主要為線卡設(shè)計者所用，以便在他們的設(shè)計中包括適當?shù)乃沧儽Ｗo。
　　
　　SGS-Thomson公司還提供SMP75-8，它是一種低壓雙向瞬變抑制器，這是為Tl/El數(shù)字電話和類似應(yīng)用而設(shè)計的一級保護產(chǎn)品。在上述的兩種應(yīng)用中高速的數(shù)字信號處于雷電感應(yīng)脈沖以及其它瞬變電壓的環(huán)境之中。典型的器件線卡的放電保護功能可由另外兩種器件來實現(xiàn)：一種是DA108S1二極管陣列，它可以保護SLIC芯片免受任何通過變壓器的剩余能量的損害；另一種是SMBJ 6.0A Transil 二極管，它可以對電源耦合的浪涌電壓進行箝位。

5 非電話設(shè)備中使用的保護器件

　　通用儀器公司（General Instrument）是世界上電源整流器和保護器件設(shè)計、制造的領(lǐng)導(dǎo)者。該公司提供很多整流器的封裝和接插結(jié)構(gòu)，包括密封塑料、鈍化玻璃和表面安裝型的。
　　
　　Protek公司生產(chǎn)很多種瞬變電壓保護的產(chǎn)品，范圍涉及板級的、表面安裝型的直到大功率型的。該公司的最新產(chǎn)品SM16P6K05系列是以SO-16封裝的600W TVS陣列。該系列器件能夠承受大于40kV的ESD。
　　
　　德州儀器公司（TI）的TL7726系列設(shè)有6個相同的的箝位電路，這些電路監(jiān)視輸入電壓與基準電壓的差值。對一個低于基準電壓但高于地電壓的輸入電壓，該箝位電路對地呈現(xiàn)極大的阻抗，吸入電流少于10m A；當輸入電壓低于地或高于基準電壓時箝位電路將起作用。當箝位電路工作時，它具有十分低的阻抗并能吸入高達25mA 的電流，箝位電路的用途是提供一個防止電路損壞的安全保護。
　　
　　SGS-Thomson公司制造的Transil二極管陣列，它在一個緊密的封裝中集成18個二極管，這種封裝可以容易地安裝在被保護的電路板上。這樣做既節(jié)省了用分離的二極管組成保護網(wǎng)絡(luò)的費用，也增加了系統(tǒng)的可靠性。
　　
　　Semitron公司利用一系列技術(shù)研制出了品種繁多的保護器件，例如，該公司曾開發(fā)了一種氣體管/可控硅混合器件，這一器件由兩個雙向瞬變電壓保護器與一個快速導(dǎo)通氣體管并聯(lián)。氣體管的導(dǎo)通特性和瞬變電壓保護器是經(jīng)過仔細匹配的。當瞬變發(fā)生時，瞬變電壓保護器將電壓箝位以保護電路，然后更高的能量使氣體管點火導(dǎo)通。
　　
　　Semitron公司的可控硅產(chǎn)品有某些獨特的優(yōu)點，T10系列的封裝因為有一個極大的表面積可以耗散足夠的熱量，因此能夠滿足功率特性。此外，保持電流被控制在一個最大值和最小值范圍內(nèi)，避免了器件中熱量的增加。舉例來說，T10C的峰值脈沖電流可額定為250A，而它的競爭產(chǎn)品只能達到150A。
　　
　　Teccor Electronics公司用可控硅半導(dǎo)體技術(shù)生產(chǎn)用于有線電視、計算機以及電話等行業(yè)中的SCR（可控硅整流器）、三端雙向可控硅開關(guān)、SIDAC（雙向開關(guān)元件）和瞬變電壓抑制器等元件。實際上，電子元件的每一條進入或輸出線都應(yīng)有自己特有的保護電路。接口電路（Interface-IC）制造商近來在這一領(lǐng)域取得了巨大進展，各種保護器件的長期規(guī)劃也已提出。所以，不久的將來將會有更多性能優(yōu)良的半導(dǎo)體保護器件問世，以使電路板上的電子元件的工作更加安全可靠。