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半导体过压保护器件和它的应用

yunxier  发表于 2012/7/1 12:02:58      761 查看 1 回复  [上一主题]  [下一主题]

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它造成的后果有以下几个方面。一个是造成部分或整体的损坏,第二种是干扰正常的功能,无法完成正常使用效果,最严重的可能会加速设备老化,缩短寿命。
雷击有三个渠道,通过这三个渠道可以对我们的设备造成损害,一种是雷击在我们室外传输线附近感受雷击的话,会通过传输线进到我们的设备,如果雷击到我们设备地线的时候,导致我们地电位的上升,导致设备的损坏,第三种还有雷在附近爆炸,通过电子脉冲的方式辐射到设备中,也会造成损坏。
雷击的浪涌电压有两个特点,一个电压会很高,电流也很大,但是它的作用时间会非常的短,这是雷电流的一种,一种是直击雷,一种耦合雷,对应雷的电流是不一样。
工业过电压就不说了,大概是这么几种情况。静电也是我们需要防护的一个很重要的方面,尤其是半导体用来做防静电效果非常好,这是核磁脉冲。

哦对了,先自我介绍一下,大家好刘建朝,今天我是简单跟大家介绍一下半导体的保护器件,大概分这么几个方面,首先介绍一下浪涌的来源,大概分四种,作为保护来说,研究比较多的一个是雷击,一个是静电,这个主要是军用的,遇到的情况比较少,大部分是大电流的,保护不是半导体考虑的,我们更考虑雷击和静电。谢谢!同时感谢本次电路保护与电磁兼容研讨会的主办方 中国电子展(www.aidzz.com)、电子元件技术网(www.cntronics.com)和我爱方案网(www.52solution.com)!
ESD的产生根据这几种模型大概分成以下几种。最常用的就是人体放电的模型,机器放电的模型,主电充电的模型,还有电场感应的模型。
它的危害也很大,会造成设备损坏,影响可靠性,每年造成的损失是相当可观的,机理大概分这么几部分,失效机理会造成这儿几个,第一个是二次击穿,一个是金属层的熔化,介质击穿,气弧的放电,还有其它的击穿方式。
一些静电保护投入会有很高的回报。下面一个是它的标准,我们谈保护,大家用的最高的标准就是电工协会的标准,我们的国标跟这个基本上差不多,这是我们已经有的ESD保护的器件,我们分成两大类,一个纯ESD保护,有一种是ESD、EMI的滤波器在一起的保护,这个纯ESD保护又分几种,一种单路,一种阵列的,一种低电容的,种类很多,最小的大概一个毫米都不到,还有多路的,然后低电容的,低电容最新已经做到0.5个PF,半导体的ESD保护器件,有ESD 的保护,还有滤波器,都是半导体的保护。
 
讲一下它的选型,TVS的选型可能要考虑几个方面,一个是击穿电压的选择,我们大概有这么一个准则,有单向的,有双向的。第二个是钳位电压的选择,第三个是浪涌功率的选择,第四个是极间电容的选择,因为现在通讯越来越快,电容大家选TVS电容要注意的地方,选择不好会有很多不良的影响。
这是我们给出来的一个极间电容与工作频率的关系,你的工作频率是多少?你要选它的电容,要小到什么程度?这样让保护器件不至于对你电路造成不良的影响。
 
这是目前ESD的应用,大的市场就是手持终端,还有一大块是以太网的交换机,还有LED,还有安防系统,因为安防现在也是一大工程,现在正在建安防城市,这一块市场也是很大,还有一个是军用接口,防静电,防电磁脉冲,这是很重要的一个领域。
关于上面这个问题,更多内容可以参考电子元件技术网的元器件
知识库( http://www.cntronics.com/public/baike )栏目或是我爱方案网的知识堂( http://www.52solution.com/knowledge )频道!
这是我们给出来的一个手机,对应手机每一个接口,每一个部位我们的保护方案,再下一类就是大功率,刚才介绍的都是小功率的TVS,用在手持终端一类的,大的功率用的范围更广,很多东西都可以用得到,我们分为两大类,一种传统的,一个是低电容的。为什么列出来这个?传统的大的TVS集成电容非常大,600瓦在几千PF,基本上信号线上不能用,这一类我们把它做成低电容的TVS来扩展TVS的应用领域。
这是它的封装形式,小功率的封装小一点,大的功率体积会大一点。
低电容我们大概也是这样几个系列,电容大家可以看到我们600瓦可以做到20PF,传统在五千PF以上,1500W在60以上,它的应用很广泛,所有的安防,电源系统,电表,包括军用电子设备接口,用的非常普遍。
稳压管,起到是稳定电压的作用。
 
这个我们主要的特点,在小的封装体积下我们可以做到功率比较大,满足一些,尤其像手机领域的需求,我们甚至还有523做到450,500毫瓦的封装,主要用在手机上。传统100,150。
第三大类半导体的过压保护器件,我们叫做半导体保护器件,因为国内没有一个统一的名字。所有的防雷基本上都基于这么一种原则做的,大家看到的几乎所有都是这种方式,这是在雷击点和设备之间我们加一个传导装置,把雷击的能量给它泄放掉,我们半导体也是基于这种原理来做。
这是美国人给的一个统计数据,雷击占你设备损坏,造成设备损坏的几率大概有多少,不包括实施了防雷以后减少的。
给大家介绍一个概念,所谓的防雷是分等级的,不是说用一级防雷就可以解决所有的问题,你应该根据你要保护的设备要求的不同来设计几级防雷,一般我们分成三级。
 
下面简单介绍一下常用几种防雷的器件,一种是气体防雷管,这个大家可能听到的很多,早期会用到很多气体防雷管,不管是陶瓷的,还是玻璃气体的,现在用的越来越少。第二是压敏电阻,有一些人用压敏电阻来做保护,第三种就是TVS,第四种就是我正在讲的过压保护器件,根据这个波形大家都可以看到,最理想的保护吸收的功率会很大。这里我们给出来一个表格,就是器件类别,半导体放电管,气体放电管,TVS二极管的比较,半导体的保护方式,TVS是钳位的,原理是固态四层可控硅结构,气体是气体电离导电,TVS是雪崩二极管。极间电容两个之间可以做到很长,灯管一米到一米二的都有,它的电容非常大,漏电流马马虎虎可以接受,它们都会退化,这个寿命最好,半导体优点是导通很精确,半导体可以做到非常精确,而且响应很快。
 
气体放电管之所以大家用的越来越少,一个它会退化,一个是辐射,大批量运用辐射很明显,而且做到低压很头疼。TVS通过电容的能量比较小,它电容偏大,半导体的优势比较明显,主流的结构保护全部用半导体,气体这个已经被淘汰了,不允许用在通讯设备了。
这是给出来一个分类,一种是单向的,一种是双向的,这种是可编程,就是它可以控制的,最新的同时有过流保护,还有过压保护的半导体。
它的选型可能考虑这五项,第一项截止电压,如何选择这个截止电压,必须大于被保护的电路的最大工作电压,这是比较理想的,可能在这种理想的基础上做一个适当的放宽,大概10%,20%。
 
转折电压,一定要小于你能承受最大瞬态的峰值电压,这样在你设备损坏之前我们保护电路提前运作,才能比较好的保护你的设备,这也是一个半导体的保护器件很重要的特点,大家都记得,它有一个维持电流,它的维持电流一定要大于你的工作电流,加上你的短路电流之和,否则半导体不会永远处在保护状态。
 
而且这个也决定了半导体防雷的器件不能用在电源端,为什么呢?因为电源端短路你的电流可以很大。这个是集成电容,你怎么选集成电容,就是考虑你的电路里头能够忍受的插入损耗,峰值电流根据你自己的电流形式和你要达到的防雷的等级,这样一个原则去选你的电流,因为峰值电流越大它的功率就越大,它的集成电路就一定越大,它的价格一定就越贵。
另外在这里顺便说一句,2012最新的
第十二届电路保护与电磁兼容研讨会正在火热筹备中,现在在线抢注,可以免费获得价值300元的研讨会入场卷。在线报名地址是: http://www.cntronics.com/public/seminar/
半导体的保护器件,目前应用最广泛的是这几个领域,目前家用就是ADSL,这些都是设备的接口,数据线,这是我们常用的接口,还有一大类用的就是交换机,极端的交换,每一个端口都做了严格的保护。我们VOIP产量很小,大量用做出口。这是一个极端交换机的一个应用方案,一般分为两极来保护。这是一个数据线的保护方案,五伏的数据线,这是电脑的接口。
  
提问:我有一个问题想问您,您前面介绍寄生电容的选择,电路的插入允许的下限值一般会在多少?比如说多少个DB的损耗你才认为是可行的?
刘建朝:这没有一个绝对的数据在这里,每一家的应用,你后续电路的灵敏度是多少,允许衰减到多少,这要自己考虑,没有统一的标准。
下面只是例举了两个问题,完整的专家问答环节见原文地址:
http://www.cntronics.com/public/seminar/content/type/article/rid/120/sid/23
提问:这需要实际来测才可以?
刘建朝:对,工程师自己来选。
提问:现在ESD防护的时候,很多人说我ESD响应速度很快,这个响应速度具体指的哪一块?
刘建朝:这种响应速度,最快的还是半导体,因为它只有一个PN结,当你有干扰信号,基本上电子在流动,可以非常快,就是指这个TVS导通的时间会很快。
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  • yuantongda

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    yuantongda   发表于 2012/8/22 16:43:16

    现在正在建安防城市,那这样的话前景就很好了。

    楼主码了好多字哦,辛苦了。源通达是做ic ic的,学习了。

    2楼 回复本楼

    引用 yuantongda 2012/8/22 16:43:16 发表于2楼的内容

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