關于過電壓抑制

瞬變威脅—什么是瞬變？

電壓瞬變的定義是電能的短時激增，它們是先前存儲的電能或者通過其他方式（比如大電感負載或雷電）引入的電能的突然釋放的結果。在電氣或電子電路中，這種能量可以通過控制開關動作，或通過隨機誘導來從外源的電路中以一種可預測的方式得到釋放。

重復性瞬變常常歸因于電動機、發電機或者反應性電路原件的切換。而另一方面，隨機瞬變通常是由閃電和靜電放電（ESD）引起的。閃電和ESD的發生一般是不可預知的，并可能需要對精細監測進行精確的測算，特別是當瞬變在電路板層面上誘發的情況下。許多電子標準工作組使用公認的檢測或測試方法已經對瞬變電壓進行了分析。幾種瞬變的關鍵特性如下表所示：

表1：瞬變來源舉例以及強度。

瞬變電壓尖峰的特性

瞬變電壓尖峰通常呈現出一個“雙指數”波動。對于閃電和ESD這兩種瞬變源，這種波動如下圖所示。

圖1：閃電瞬變波形。

圖2：ESD測試波形。

雷擊的指數上升時間范圍在1.2μsec到10_sec之間（基本上是10%到90%），持續時間在50_sec到1000_sec之間（峰值的50%）。另一方面，ESD是一種持續時間更短的事件。上升時間少于1.0ns也是典型特點。整個持續時間大約為100ns。

為什么瞬變愈發令人擔憂？

元件小型化導致對電應力的敏感性增加。例如，微處理器具有無法應對ESD引起的高電流的結構和導電路徑。此類元件在非常低的電壓環境下工作，因此電壓干擾必須加以控制，以防止設備中斷以及潛在的或災難性故障。

如今，敏感的微處理器在范圍廣泛的器件中得到普遍應用。從家用電器，如洗碗機，到工業控制，甚至玩具中都會使用微處理器來提高功能性和效率。

現在大多數車輛也會采用多個電子系統來控制發動機、車內溫度、剎車，或者在某些情況下，控制轉向、牽引系統和安全系統。

許多電器和汽車內的子組件或支持組件（如電動馬達或附件）都會將整個系統暴露在瞬變威脅之下。

精心的電路設計不僅要考慮環境場景，還要計入這些相關組件的潛在影響。表2列出了各種組件技術的易損性。

表2：器件易損性的范圍。

瞬變電壓情境

靜電放電（ESD）

靜電放電的特點是非常快速的上升時間、非常高的峰值電壓和電流。這種能量是物體之間正負電荷不平衡的結果。

日常活動所產生的靜電放電會遠遠超過標準半導體技術的易損性閾值。以下是幾個例子：

● 走過地毯：

35kV @ RH = 20%; 1.5kV @ RH = 65%

● 走過塑料地面：

12kV @ RH = 20%; 250V @ RH = 65%

● 工人在工作臺上工作：

6kV @ RH = 20%; 100V @ RH = 65%

● 乙烯信封：

7kV @ RH = 20%; 600V @ RH = 65%

● 從辦公桌上拿起塑料袋：

20kV @ RH = 20%; 1.2kV @ RH = 65%

閃電感應瞬變

一次直接的雷擊顯然是毀滅性的，然而由閃電引起的瞬變并不是直接雷擊的結果。

當雷擊發生時，雷擊事件可產生能在附近電纜上引起大幅度瞬變的磁場。云到云的雷擊不僅會影響到架空電纜，還能影響到埋地電纜。一個即使是1英里外（1.6公里）的雷擊也會在電纜上產生70伏的電壓。在云對地的雷擊中（如下圖所示），所產生的瞬變影響更大。此圖顯示了感應雷電干擾的典型電流波形。

電感負載切換

電感負載的切換產生高能量瞬變，會隨不斷增加的重負載大幅增加。當電感負載被切斷時，崩潰的磁場被轉換成呈現為一個雙指數瞬變的電能。取決于不同的來源，這些瞬變的強度可高達數百伏和數百安，持續時間達400毫秒。典型的感應瞬變來源包括：

● 發電機

● 繼電器

● 馬達

● 變壓器

這些實例是電氣和電子系統中所常見的。由于負載的大小因應用而各有不同，波形、持續時間、峰值電流和峰值電壓都是存在于真實世界的瞬變中的變量。一旦可以對這些變量進行估計，就可以選擇一種合適的抑制器技術。

下圖顯示了因汽車充電系統的交流發電機內的存儲電流而產生的一次瞬變。

汽車中其他直流電動機也會導致類似的瞬變。例如，直流電動機電力設施，如電動鎖、電動座椅和電動車窗。這些直流電動機的不同應用會對敏感的電子元件產生與外部環境中所產生的瞬變一樣有害的瞬變。

TVS（瞬態抑制二極管）產品選型指南

TVS二極管（瞬態抑制二極管）被用于保護半導體元件免受高電壓瞬變損害。它們的pn節具有比普通二極管的pn節更大的橫截面積，使得它們能夠將大電流接地而不遭受損壞。Littelfuse供應峰值額定功率在200W到30kW范圍、反向斷態電壓在5V到512V范圍的TVS二極管（瞬態抑制二極管）產品。

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