保护电路板上电子元件的半导体器件

　　除了用传统的气体放电管、金属氧化物变阻器（MOV）以及保险丝来保护电路板上的电子元件免受外界的侵袭以外，有效的半导体器件正日渐产生。研究发现，利用这些半导体器件，可使产品具有抗雷电、静电放电（ESD）、电瞬变（EFT），电感负载切换以及交流电源波动的能力。使得产品更加耐用可靠，从而降低了产品的修理费用。现在，已由过去的非限制性标准成了强制性标准，制造商必须使他们的产品满足ESD 指标的最低水平，否则就不能把他们的产品售往欧洲。

1 造成电子元件损坏的原因

　　过去，只有静电直接放电才能导致电子元件的故障，现在，由于附近放电而产生的强电磁场就可以轻易地损坏今天的高速系统，且系统速度越快，就越易受到影响。据Kimmel Gerke称，1~3ns的放电就可以产生强电磁场。在1ns的时间内，放电相应带宽就高达300多兆赫，这就表明，需要VHF/ UHF屏蔽及接地技术。
　　
　　闪电可以使邻近雷击点的地电位产生很大的波动，有时可高达100kV。由闪电而产生的电磁场也有可能带来麻烦，一个精心设计的单点接地系统是不可缺少的。然而，在本地网络中，只有一端电缆线接地进行屏蔽，这使得网络很容易受高频干扰。
　　
　　Maxim公司研究表明，集成电路在超出额定电压情况下工作，被损坏的可能性极大，甚至彻底瘫痪。集成电路在断电或不连续供电状况下工作会造成自身损坏或其它线路的损坏 。
　　
　　在模块控制系统中，由于电源与信号在输往同一模块的过程中相互干扰互相影响的故障经常发生。由强电流或高电压产生的以下结果将损坏集成电路：

局部过度受热　　 金属线受损
硅熔化　　　　　　 电压过高造成门电路失效
由于硅中混杂有铝而导致击穿或短路　　　　 电热传导导致晶体管受损

2 线路连接中应注意的问题和传统的保护器件

　　ESD电流波的特点是上速度升极快，因此电流在电路中通过时受电路中分散的寄生阻抗的影响很大。注意外部配置将确保集成电路的的良好性能，不同的集成电路，应有不同的电路配置，例如，Maxim的接口电路建议以下各点：

　　根据标准模拟电路接线技术，把所有的旁路和电荷泵电容器尽量向集成电路靠近
　　在印刷电路上设置一个接地平面
　　使引线电感和电容最小化，并且使集成电路尽可能靠近电路板的I/O端口
　　
　　一个气体放电抑制器有两个电极，他们安置在一个充满气体的管子内，彼此相距很近。当高电压（90，150，230，260和350V是典型的气体管电压）加到两极时，管中的气体发生电离，电路导通。在断路状态下，管子的电阻很大；导通时，电阻很小。气体管导通速度相对来说较慢，但可承受很大的冲击电流。遗憾的是。一些气体管在经受几百次的冲击后，就会烧掉。
　　
　　早期的气体管靠放射性金属使气体始终保持部分电离。Semitron通过严格控制混合气体和电极上的镀层而研制出了一种无须放射性金属的气体管。
　　
　　金属氧化物变阻器 （MOV）价格低廉，能够通过大电流而不受损，且很耐用。然而，每导通一次，其性能就会下降，在超载状态下，它将开路失效。MOV实际上是一种粉末压实产品，人们普遍认为它比半导体器件的反应速度慢（但并不是绝对如此）。
　　
　　理想状态下，一个分支保护器件的电容应当为零。典型的气体放电管的电容是1~2.5pF，而半导体器件的电容范围为100~5000pF。

3 新型的瞬变电压抑制器及其工作机理

　　瞬变电压抑制器（TVS）是特别设计用来提供过压保护的二极管。TVS 二极管的特点是：电流调节能力强, 工作电压和箝位电压低、实际反应时间快。这些特点使得它成为电路板保护的理想器件。TVS目前已有零售和大批量供应。
　　
　　Motorola研制的共阳极单片双SOT-23封装的齐纳二极管，其特征是：两个齐纳 SOT-23在同一个封装中，承受电压的范围是10V~91V。Motorola同时还宣布其传统产品的《Technical Zener Handbook》已经更新。
　　
　　Maxim研制出的电路板保护器件是和受保护电路串联的，而不是并联的。MAX366和MAX367是多功能的两端的电路保护器件。被串联于信号线里的每一个这种两端的保护器件保护的电压范围：接近或超过常用的供电电压直到40V。MAX366包括3个独立的保护器件而MAX367则有8个 保护器件，应用它们能够保护单极（4.5V~36V）或双极（± 2.5~± 18V）电源。这些器件是电压敏感型的MOSFET晶体管阵列。加电时，导通；断电时，开路。供以± 10V的电压，导通电阻的最大值是100欧，温度为25℃时，漏电流小于1nA。
　　
　　当信号电压超过或达到任何一个电源电压附近1.5V左右时，保护器两端电阻明显增大（无论电源是接通还是断开时），从而限制了过大的电流和输出电压。受保护的一端保持了正确的极性并且将电压箝制在电源电压范围的1.5V以下，没有“闪烁”或极性反向等现象发生。
　　
　　AD公司也生产串联保护器。单路、三路、八路介质隔离的通道保护器件，不管在断开还是接通电源的情况下，都能对后续器件提供自动电路保护 。当输入电压超过用户选择的电源极限电压时，ADG46×系列可自动地将一个内部的开关断开，ADG46×系列可承受的连续输入电压范围为± 35V。单通道的ADG465型，三通道的ADG466型以及八通道的ADG467型器件在双极性和单极性电源下都能工作。ADG465的接通电阻为50欧，ADG466和ADG467为100欧，输入漏电流规定为+500nA（最大值）。
　　
　　可控硅保护器件就象一个没有门的闸。当发生瞬变时，在可硅硅瞬变保护器件两端的电压将会增大直到达到它的导通电压。在这时，器件将工作于雪崩方式，这使瞬变电压被限制而只增加少许，这是因为器件转移了大量的电流。当瞬变电流上升时通过器件的电流将达到极大的水平，导致器件切换到全导通状态。在该状态时，器件两端只有少许电压，从雪崩方式切换到全导通状态的电压通常称为击穿电压。（Breakover Voltage）。
　　
　　当器件处于导通状态时，由于器件两端的电压很低，从而限制了在这些器件上的功耗，因而可分流很大电流而不损坏。使该器件重新恢复到非导通状态是由电流来控制的，当电流跌落到某一称为“保持电流”以下的数值时器件自动恢复。
　　
　　N基片和P基片的可控硅器件有一些区别。P 基片适用于低电压（150伏以下），因为它们在击穿电压时的动作与P基片的有些不同；P基片的器件在击穿时更“锐利”。 在电压高于150伏时， N基片的器件显得更耐用一些。
　　
　　可控硅提供给电路的是二级保护。因为它们是一个半导体器件，工作很快，而且可以维持相对大的电流。当出现一个火花时，器件立即将它箝位到一个初始的导通电压。如果火花具有相当大的能量，则可控硅再击穿至全导通状态。在这个状态，器件两端的电压仅有2~4V。