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微电子设备防雷及电涌保护
雷电以及过电压导致微电子设备的损坏,微电子设备的防护问题已经越来越受重视。本文详细介绍了防护雷电及过电压的常用方法:分流、均压、屏蔽、接地和保护。对构成浪涌保护器的内部器件如:放电管、压敏电阻、TVS瞬态电压抑制器、共模线圈等也有详细介绍,且根据器件的各自特点设计理想的浪涌保护器。
随着经济的快速发展,信息化设备得以广泛应用。然而,由于微电子和计算机系统已深入到各行各业,因而雷电灾害也从最早的电力和建筑这两个传统领域扩展到几乎所有的行业。但微电子设备集成度提高,其耐冲击能力却显著降低。雷电对微波通信站、金融、电力调度通信站、气象中心、航空通信、IT数据中心、计算机中心及广播电视系统等场所,集中有较多微电子设备行业造成的危害尤为严重。以上微电子设备会导致遭受直雷击,雷电感应和电磁脉冲对电子设备的损坏呈逐年上升趋势。同时电气系统的开关操作产生内部过电压和静电放电所产生的瞬态浪涌也对电子设备造成极大的危害。

微电子设备由于雷击放电或者电气设备的开关操作而产生的过电压对设备造成失效、损坏的实例屡见不鲜,由此造成了巨大的经济损失。直接损失通常反映设备使用者在硬件方面的损失,可以修复或者替换。然而软件方面的损失以及设备停机所造成的损失是无法弥补的。对微电子设备采取行之有效的保护措施,实现对集成度越高而耐受过电压能力越来越低的电子系统(设备)的可靠防护,尽量减小其遭受雷击或冲击过电压的干扰和损坏,已成为微电子设备可靠性工作中急需解决的问题。

微电子设备通常工作在低压电网中,低压电网中过电压有四类:雷电引起的过电压、静电放电、操作过电压以及工频过电压。过电压通常以共模(过电压在带电导体或中性线和大地之间产生)和差模(过电压在带电导体之间产生)两种干扰方式干扰低压电网。其中雷电过电压破坏性最大。过电压的传播主要有传导和感应两种方式,传导过电压是指架空馈电线或通信线路遭受雷击后高压冲击波形成的暂态过电压,可达几十万伏。该传导过电压沿线路传播,高压侧4%的过电压通过高低压绕组及高低压绕组间的耦合电容窜入到低压侧,造成低压供电线路过电压。其中,幅值4KV以下的占91%,98%的过电压幅值不会超过6KV,常常损坏线路上的仪器和设备。另外电力系统高压侧的操作过电压,也有可能侵入低压侧用户设备。感应过电压是指落在线路附近的雷击,其雷电冲击电流形成的辐射电磁场可在闭合回路中产生感应过电压。

现在,微电子设备耐受过电压强度低的主要原因是设备内部集成化程度越来越高,再加之内部工作电压通常工作在5VDC。对一个使用220VAC继电器的电路而言,在转换操作时产生一个500V的耦合瞬态电压,其过电压几乎不会造成任何损坏,,而且仅在微秒(μs)的时间范围内出现。但对于微电子设备中的集成电路(IC)而言,同样的耦合过电压在电路中已达到额定电压值100倍,,肯定会造成IC的损坏,再加之IC的抗破坏强度比继电器要低若干个数量级。为防止该过电压破坏高灵敏度电气设备,在可能出现此类高电压的导线上,必须在极短的时间内与均压等电位系统实现短路。

雷电和电涌的危害
我国地域辽阔,属于雷电区或雷电多发区。因此,我国每年所面临的雷电灾害是非常严重的。瞬态浪涌是由于闪电放电、电气系统的开关