微电子装置抗电磁干扰器件的应用

1微电子装置抗电磁干扰器件的应用周志敏山东莱芜钢铁集团公司动力部莱芜271104概述；本文阐述了微电子装置的抗电磁干扰技术，重点论述了TVS、SPD保护器件的技术特性及其应用选型。关键词：电磁干扰TVSSPD应用1.概述微电子技术广泛应用于政府、农业、工控、通信、信息、军事、教学、科研等领域。它们对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源均至关重要。我国目前仍旧是一个发展中的国家，尚处于前工业化阶段，传统产业仍然是我国国民经济的主力军，因此在近期或在较长一段时期内，传统产业的改造和发展将在很大程度上决定着我国经济的发展。电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输是传统产业的重要支柱，这些产业技术水平的高低直接关系到我国工业基础的强弱。毫无疑问，微电子技术是提高这些产业技术水平的重要手段，它是对我国传统产业实现技术改造、建立自动化工业体系的关键应用技术。随着微处理技术、计算机网络技术、信息通信技术、多媒体技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术及人工智能技术的发展和应用，在21世纪人类即将跨入信息时代的门槛。各类高新技术在各领域的推广应用，使得各类系统的自动化程度不断的提高，这就要求以微处理器为核心的智能化的系列产品具有高的可靠性。而智能化产品的可靠性，又很大程度上取决于其抗干扰能力，因此也决定了整个系统的可靠性。一般侵入系统的干扰有时能直接造成系统的硬件损坏，有时虽不能损坏系统的硬件，但可能使微处理器的系统程序运行失控，导致控制失灵，从而造成设备和生产事故。目前电磁干扰已成为研究微电子装置安全、稳定运行的重要课题。产生电磁干扰有三个必要条件：干扰源、传输介质、敏感的接收单元，而破坏这三个条件中的任一个就能抑制电磁干扰。抑制电磁干扰采用的技术主要包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等。因此，如何提高系统的抗干扰能力和可靠性是自动化装置研制和应用中不可忽视的重要内容，也是计算机控制技术应用和推广的关键之一。在自动化控制系统的可靠性和抗干扰措施设计中，从总体方案、器件选择、电路板的布局及布线到软件程序的设计，都要把抗干扰技术贯穿于应用系统设计的全过程。2.电磁脉冲干扰抑制抑制雷电电磁脉冲对微电子设备干扰的措施，广泛采用屏蔽技术，等电位接地技术和三级细防护等措施，几种技术的综合运用，对抑制雷电电磁脉冲干扰是行之有效的。采用屏蔽技术抑制电磁干扰是通过反射或吸收的方式来承受或排除电磁能的，因电磁干扰穿过一种介质而进入另一种介质时，其中一部分被反射，就像光通过空气和水的交界面一样，电磁波在空气和屏蔽交界面上未被反射的电磁能量将进入屏蔽层，并由感生出电流I2R损耗被吸收。从而有效地抑制电磁波对屏蔽层内的设备的干扰。对于利用建筑物的钢筋混凝土结构的顶板、墙、柱及地板形成一个立体笼式屏蔽网，对室内的微电子设备抑制空间电磁辐射的效果是极其明显的。根据1992年国际建筑物防2雷会议上IEC/TC81中提出的防雷保护区LPZ新概念，将建筑物需要保护的空间划分为多个防雷保护区，如图1所示，划分为三个区域：LPZ0区——本区内的物体处于直接雷击下，可传导全部雷电流。LPZ1区——本区内的物体承受直接雷击下，区内导体传导雷电流比LPZ0区小。LPZ2区——具有更高屏蔽要求的空间。图中LPZ3一般为设备自身的屏蔽。建筑物中的通信枢钮，计算机中心一般均处于LPZ2区域内，在设计时要根据设备对屏蔽的不同要求，增加立体空间的网格密度，以提高屏蔽效果。而建筑物的网络干线，微波中继等处于LPZ1区域，而微波接收，发射装置等则处于LPZ0B区域，故在设计中应对建筑物的防雷区域作以综合分析论证，制定出性能价格比高的设计方案。微电子器件中TTL数字电路的抗冲击能力很弱，10V、30ns脉宽的冲击电压可使TTL电路损坏；雷电流产生的磁场达0.07×10－4T时可使微电子器件误动，无电磁屏蔽时即使雷电流通道远在1km处，也可能使微电子设备误动。为使微电子器件遇雷击时不致误动、损坏，有效的办法是在采取三级综合保护的基础上，选用新型保护器件。3.瞬态电压抑制器TVS管瞬态电压抑制器TVS（Transientvoltagesuppressor）一般用于高灵敏的电子回路，其响应时间可达微微秒级，而器件的限压值可达额定电压的1.8倍。其主要缺点是电流负荷能力很弱、电容相对较高，器件自身的电容随着器件额定电压变化，即器件额定电压越低，电容则越大，这个电容也会同相连的导线中的电感构成低通环节，而对数据传输产生抑制作用，抑制程度与电路中的信号频率有关。当TVS管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能在10－12s量级的时间内，将两极间的高阻抗变为低阻抗，泄放高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值(一般选小于2倍额定工作电压)，有效地保护电子电路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的破坏。TVS管的伏安特性如图2所示。其正向特性与普通二级管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。在瞬态脉冲电压的作用下，流过TVS管的电流，由原来的反向漏电流ID上升到IR(25℃下，IR=1mA)时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压Voff上升到击穿电压Vbr，TVS管被击穿。随着峰值脉冲电流的出现，流过TVS管的电流达到峰值脉冲电流Ipp，其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压Vc；其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS管两极电压不断下降，最后恢复到起始状态。这就是TVS管抑制出现的浪涌脉冲功率，保护电子元件的过程。TVS管的显著特点为：响应速度快(10－9s级)、瞬时泄放功率大(数千瓦)、漏电流小(10－9A级)、击穿电压偏差小(±5％Vbr与±10％Vbr两种)、箝位电压较易控制(箝位电压Vc与击穿电压Vbr之比为1.2～1.4)、体积小等。它对保护装置免遭静电、雷电、操作过电压、断路器电弧重燃等各种电磁波干扰十分有效，可有效地抑制共模、差模干扰，是微电子设备过电压保护的首选器件。3.TVS的工程应用3.1TVS的选用3.1.1确定被保护电路的最大直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和最大可承受电压。3.1.2TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选3用的VWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。3.1.3TVS的最大反向箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。3.1.4在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功率PM必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。一般TVS的最大峰值脉冲功率是以10/1000μs的非重复脉冲给出的，而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的，当脉冲宽度不同时其峰值功率也不同。如某600WTVS，对1000μS脉宽最大吸收功率为600W，但是对50μs脉宽吸收功率就可达到2100W，而对10μS的脉宽最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率还和脉冲波形有关：如果是半个正弦波形式的脉冲，吸收功率就要减到75％，若是方波形式的脉冲，吸收功率就要减到66％。3.1.5平均稳态功率的匹配对于需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击的TVS，如应用在继电器、功率开关或电机控制等场合，有必要引入平均稳态功率的概念。举例说明，在一功率开关电路中会产生120Hz，宽度为4μs，峰值电流为25A的脉冲群。选用的TVS可以将单个脉冲的电压箝位到11.2V。此中平均稳态功率的计算为：脉冲时间间隔等于频率的倒数1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2V×25A=280W，平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积；即280×（0.000004S/0.0083S）=0.134W。也就是说，选用的TVS平均稳态功率必须大于0.134W。3.1.6对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。3.1.7根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理；多线保护选用TVS阵列更为有利。3.1.8温度考虑瞬态电压抑制器可以在－55℃～＋150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作，由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从＋25℃到＋175℃，大约下降50％；击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。3.2应用实例3.2.1TVS在综合浪涌保护系统中的应用；自动控制系统所需的浪涌保护系统一般由二级或三级组成，利用各种浪涌抑制器件的特点，可以实现可靠保护。气体放电管一般放在线路输入端，做为第一级浪涌保护器件，承受大的浪涌电流。第二级保护器件采用压敏电阻，在μs级时间范围内更快地响应。对于高灵敏的电子电路，可采用第三级保护器件TVS，在ps级时间范围内对浪涌电压产生响应。如图3所示。当雷电等浪涌到来时，TVS首先起动，会把瞬间过电压精确控制在一定的水平；如果浪涌电流大，则压敏电阻起动，并泄放一定的浪涌电流；两端的电压会有所提高，直至推动前级气体放电管的放电，把大电流泄放到地。3.2.2TVS在开关电源驱动电路中的应用；TVS管应用电路如图4所示，为一典型的开关电源驱动电路。当功率开关管关断时，由于开关变压器线圈漏感的存在，会产生极高的反电势，有可能将功率开关管击穿。当在开关变压器一次侧并接上TVS管后，可以有效地吸收电压尖峰，保护功率开关管的安全，降低对功率开关管耐压的要求。4TVS管的选择如下：220V交流市电经整流滤波后变为直流电压供给开关变压器，此直流电压变化范围是240V～360V，由于变压器漏感和引线电感的存在，关断过电压可以高达几千伏，功率开关管关断时难于承受这两种电压。综合考虑可以选用UWM等于200V左右的TVS，这样将关断过电压控制在300V以内，加上电源电压，功率开关管选用耐压为700V的管型即可。3.3TVS管在使用中应注意的事项对瞬变电压的吸收功率（峰值）与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率（峰值），而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。对于宽脉冲，TVS管应降额使用。对小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，但限流电阻却会大大减小干扰所产生的电流。这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。对重复出现的瞬变电压的抑制，尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。TVS管，作为半导体器件，要注意环境温度升高时的降额使用问题。特别要注意TVS管的引线长短，以及它与被保护线路的相对距离。当没有合适电压的TVS管供采用时，允许用多个TVS管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中泄流能力最小的一个。而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等效电容也较小，可满足高频使用的要求。