- 電路保護的必要性-電氣威脅
- 保護器件的測試標準
- 保護器件比較
- ONSEMI ESD保護技術的演進
- ESD保護器件實例
電路保護的必要性-電氣威脅
靜電放電(ESD)
在我們日常生活中靜電放電(ESD)是相當常見的。比如走在地毯上或者觸摸門上的把柄就會感覺到靜電的嗖嗖聲沖擊。當你在干衣機里拿取洗好的衣服，就經常會伴隨著干脆的聲音， 這個你聽到或者感覺到的聲響就是靜電放電的結果。當不同材料互相分離時電子會發生轉移，物質分離后會產生靜電荷，這個過程就叫做摩擦起電。一些物體，比如說干皮膚和羊毛，都會變得帶正電荷；或者其它如聚酯，乙烯基帶負電荷。
當一個摩擦起電的物體釋放它的電荷突然給另一個不同電位的物體時，靜電放電效應就會發生。摩擦起電的物體之間的電位差可以達到很高，一個人的靜電放電效應的檢測極限電壓大約為3,000 V。一個強烈的ESD攻擊往往是這個電壓數字的好幾倍。
閃電
閃電通常是危險的。它的平均電流峰值是20 kA并且可高達150 kA。一次閃電可以持續20-200毫秒，而通常閃電會是連續閃幾次的。閃電也是常見的，在任何一個時間都有2,000個帶閃電的暴風雨在發生，而每天出現的暴風雨也有5,000次。閃電中的電應力除直接撃中建筑物, 還可以不同方式進入建筑物的電氣系統。閃電撃中架空的主輸電線可以直接把電流偶接進入建筑物中的交流點導體中去。附近小山上發生的閃電可以迫使強大的電流在地面上流動。這些電流將影響建筑物附近的地電位。同時這種情況可會由于地面下面的設施比如接地到建筑物中的水氣管道等而變差。在建筑物旁的旗桿的閃電可以在建筑物內的導體比如電話或連接個人電腦的電線中誘發電流。閃電帶來的應力可以以各種方式進入建筑物說明了在多種地點中安裝浪涌保護的必要性。浪涌保護需安裝在建筑物的交流電源及電話服務的進入點。而在一些比較敏感的電子設施比如個人電腦或者娛樂中心安裝更多的浪涌保護設備也是物有所值。
電力線浪涌
電力交流電網為我們的家和辦公室提供交流電源。電力公司致力于在穩定的電壓和頻率提供電力，但是即便是最費盡心血的安排也不能防止一些異常的事件。電壓的強弱會受影響于交流電網上負載的變化。大多數的電氣設備都被設計成可以在一個合理的輸入電壓范圍內工作，但總會有出現意外情況的電平，特別是由于大電流開關所引起的瞬變現象。一個電感性負載里電流的變化將會引起一個電壓峰值，這個峰值可以達到幾百甚至幾千伏的電壓。它的持續時間可能很短，但是它卻大大超過了電氣系統的存續，除非設備中含保護器件。
保護器件的測試標準
系統所經歷的電氣應力是各種各樣的: 有納秒上升時間且持續數以10計的安培電流的靜電放電(ESD)應力；有微秒上升時間且持續數以萬計的安培電流的閃電應力。對可以想到的現實世界中的每一種應力都進行產品測量是不可能的。所以標準機構制定了針對每個特定的應力威脅制定了專門的測試標準。這些標準以電壓和電流波形的形式來表示應力。最常見的一種應力波形就是圖示的雙指數波形。典型的電壓波型是被理解成開路，而典型的電流波型是被理解為短路。通常一個波形的參數包括峰值電壓、峰值電流、上升時間(通常是峰值時間的10%到90%)以及衰減時間(峰值時間的50%)。標準同樣規定了如何把應力波形應用到實際的被測試的設備以及通過或者未通過測試的準則。這就確保了測試結果可以被任何一個做此種測試的人重現出來，并且通過這個測試的系統可以可靠地工作。
圖示：雙指數波形
保護器件簡介
市場上有一系列對電子系統起保護作用的產品。下表簡單描述了各種產品的特征。
氣體放電電子管GDT:通常是充滿氖、氬氣體混合物的陶瓷品以及兩個或更多個電極組成的。當電極的電壓超過一個額定值，電子管就會產生一個電弧，提供一個低阻抗電流通路。放電管常用于多級保護電路中的第一級或前兩級，起泄放雷電暫態過電流和限制過電壓作用。電壓范圍從75V~3500V 。
壓敏電阻MOV:通常由布滿氧化鋅顆粒的陶瓷組成,在低電流電壓下，壓敏電阻具有高阻抗,但是在更高的電壓電流下，阻抗會急劇地下降。使用壓敏電阻時之前必須加裝保險絲，壓敏電阻一但擊穿短路是不可恢復的，必須更換。正常的壓敏電阻用萬用表測量是無窮大的。
聚合體PESD 器件:是在聚合物中嵌入導體、半導體及絕緣粒子構成的高分子壓敏材料。其電阻隨兩端電壓呈非線性變化。也就是說，當施加在其兩端的電壓小于某個特定電壓值時，PESD呈現為絕緣體，電阻很大，不影響電路的正常工作;當施加在兩端的電壓大于某個特定電壓值時，PESD轉變為導體，電阻很小，可以短時間大電流放電，因此可與被保護IC并聯使用。同時這種PESD靜電防護元件具有自恢復性，即過電壓放電之后又恢復到常態，不必更換，可有效阻止電子產品的靜電破壞并降低維護成本。PESD保護器件具有極低的電容(約為0.2 pF)、低的泄漏電流(這在低功耗便攜式設備中尤為重要)、快速響應時間(<1 ns)和低鉗位電壓(<100 V)等優點; 在多次電涌之后(多達1000次)，這種器件的低觸發電壓和低鉗位電壓仍然可以有效保護敏感的電子器件。
晶閘管浪涌保護器件TSPD:基于一對雙極性晶體管。當雙極性晶體管被觸發時，它們呈現連續的低阻抗狀態。晶閘管本質上是單向的過壓保護器件。基本的晶閘管已經衍生出了多種雙向和單向的產品。
瞬態電壓抑制器(TVS):是基于雪崩二極管和穩壓二極管。單一的二極管本質上是單向的鉗位設備。
保護器件比較
保護方式-嵌位/消弧
鉗位保護器件：當一個激勵突發時，鉗制電位到一定值達到保護的目的；如TVS管
消弧保護器件：當一個激勵觸發時，通常是產生一個短路通道來實現保護目的。如晶閘管浪涌保護器件TSPD
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消弧保護器件在保護應用中是非常有效。消弧保護器件有著非常低的導通壓降，這樣可以使得其電壓低于敏感電子器件的臨界電位；并且由于過壓保護器件本身超低的功耗，其可以承受很大的電流而不會由于大電流對自己損壞。我們在用消弧保護器件的時候必須小心。可以用來維持消弧保護器件的最低的電流和電壓點是一個很重要的參數并且我們經常稱之為保持點(Holding
Point），如圖所示。如果受保護的電氣節點可以提供電壓和電流在保持點的水平，在電氣應力消除后一個消弧保護器件也可能不會關閉。仔細選擇消弧保護器件是必須的，或者預先做好準備，以保證在應力消除時關閉保護和在正常操作期間不打開。
圖示：雙向消弧保護器件(黑色)和單向鉗位保護器件(紅色)的I-V曲線
電壓鉗位保護器件在應力時不會發生不關閉的問題，但是他們也要仔細選擇。以反向偏置方向保護的電壓鉗位保護器件自身內部會產生相當可觀的功耗。鉗位保護器件在導通狀態時需要非常低的動態阻抗，以保證在傳輸大電流時，電壓不會超過敏保護形式-初級和次級保護
圖示：進入樓宇內一條簡單數據線路的初級和次級保護
初級和次級保護的應用非常普遍。這個概念在電信產業中用于閃電和浪涌保護，也在先進集成電路技術中做靜電放電(ESD)保護。初級的保護元件較貼近應力源，主要目的是用于承受大部分的電流應力，而次級保護元件則非常貼近敏感的電路元件，在最需要的地方提供保護。
需要兩種形式的保護的有多項因素。在一條數據線當中，比如電話線，浪涌保護最重要的作用是避免災難性的損失，如火災或者觸電死亡。這就在樓宇入口有一個保護元件，即初級保護。初級保護的元件必須非常的可靠并且能夠經受得住很大的電流。初級保護避免災難性損失的能力并不保證瞬變電壓不通過初級保護，這些電壓雖不能引起火災或者觸電死亡，但是足以破壞敏感元件。安置在敏感元器件的次級保護就是起到了這個作用。次級保護元件必須很快地開啟來保護從初級通過的瞬變電壓。次級保護元件也可能在給定受保護的系統根據客戶的保護需求來配置。硅保護產品，由于他們的快速導通和低導通電壓優勢, 作為次級保護元件最好不過。
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ONSEMI保護器件
ONSEMI ESD保護技術的演進
硅瞬態電壓抑制器(TVS)二極管的傳統片外保護解決方案提供低ESD鉗位電壓和快響應時間，但它們的高電容限制了其在高速應用中的使用。為了克服傳統硅TVS二極管的這些局限，安森美半導體運用突破性的工藝技術，將超低電容二極管和大功率TVS二極管集成到單個裸片上，能夠用作高性能片外ESD保護解決方案。這新的集成型ESD保護技術平臺既保留了傳統硅TVS二極管技術的卓越鉗位和低泄漏性能，又將電容從65 pF大幅降低至0.5 pF。
ONSEMI音頻信號濾波帶ESD保護
ONSEMI數據信號濾波帶ESD保護
ONSEMI ESD保護二極管陣列
ONSEMI 瞬態電壓抑制器(TVS)
ONSEMI晶閘管浪涌保護器件TSPD簡介
晶閘管浪涌保護器件Thyristor Surge Protection Devices (TSPD)具有快速開關能力和高可靠性，可保護電信和數據通信設備。在待機模式，TSPD的關斷阻抗高，對所保護的電路表現出實際上的斷開狀態。當電壓超過臨界電壓時，TSPD從高關斷阻抗轉變成低導通阻抗，吸收浪涌電流。在分支和環狀電路發生瞬態浪涌期間，TSPD會在分支和環狀電路產生短路跨接，直到瞬態電流中斷或減小到保持電流以下，器件會自動復位。TSPD采用消弧電路開關及固態閘流管技術，保護靈敏度達納秒級，消除了瞬態引起的電壓擊穿。它們可承受高達100A的浪涌電流，沒有磁滯現象和熱耗。這些閘流管的最小電容可減小高速數據線路中的信號衰減。ONSEMI目前有MMT系列，NP系列，NP-SAMC系列,NP-SBMC系列晶閘管浪涌保護器件, MMT系列可被NP系列替代，NPxxSAMC系列，NPxxSBMC系列是新一代超低電容TSPD，廣泛應用于電信設備。
ONSEMI晶閘管浪涌保護器件(TSPD)主要參數
ONSEMI晶閘管浪涌保護器件NP系列
特點：
1. 可承受高達100A的浪涌電流
2. 峰值斷態電壓可達320V
3. 廣泛應用于電信設備
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ONSEMI晶閘管浪涌保護器件NPxxSAMC系列
特點：
1.超低電容
2.低的漏電流
3.浪涌電流高達50A
4.精確的開啟電壓
5.低的過沖電壓
ESD保護器件實例
