接口电路的浪涌冲击防护和TVS的应用2008年版.pdf-资料库

A leading TVS Supplier Chinamax Technologies Limited 中明科技有限公司接接口口电电路路的的浪浪涌涌冲冲击击防防护护和和应应用用 TTVVSS 的的解解决决方方案案目目录录香香港港中中明明科科技技有有限限公公司司--------技技术术应应用用部部四四.. 接接口口电电路路浪浪涌涌冲冲击击防防护护的的解解决决方方案案一一.. 引引言言 -------------------------------- 22 （（一一））雷雷电电的的危危害害 -------------------------------- 22 ((二二)) 电电快快速速瞬瞬变变脉脉冲冲群群的的危危害害 -------------------------------- 44 ((三三)) 静静电电放放电电的的危危害害 -------------------------------- 66 二二.. 浪浪涌涌冲冲击击的的分分类类和和防防护护器器件件 ---------------------------------- 77 ---------------------------------- 77 11.. 雷雷电电的的防防护护 22.. 电电快快速速瞬瞬变变脉脉冲冲群群的的防防护护 ---------------------------------- 88 33.. 静静电电放放电电的的防防护护 ---------------------------------- 88 44.. 多层压压敏敏电电阻阻. 聚聚合合物物器器件件和和瞬态电压抑制器的比较 ---------------------- 99 三三.. 瞬瞬态态电电压压抑抑制制器器的的应应用用 ---------------------------------- 1100 ((一一)) 瞬瞬态态电电压压抑抑制制器器的的工工作作特特性性 ---------------------------------- 1100 ((二二)) 瞬瞬态态电电压压抑抑制制器器的使用方法和注意事项 ---------------------------------- 1111 -------------------------------- 1122 11..基站电源防雷电路 ---------------------------------------------------------------------- 1122 22..固固网网接接口口 ---------------------------------------------------------------------- 1133 11))..AADDSSLL ---------------------------------------------------------------------- 1133 22))..AADDSSLL22++ ---------------------------------------------------------------------- 1144 33))..VVDDSSLL ---------------------------------------------------------------------- 1155 33.. RRSS--223322 接接口口 ---------------------------------------------------------------------- 1166 44.. RRSS--442222 接接口口与与 RRSS--448855 接接口口 ---------------------------------------------------------------------- 1188 55.. TT11//EE11 接接口口 ------------------------------------------------------------------------ 2211 66.. 以以太太网网接接口口 ---------------------------------------------------------------------- 2233 11)).. 1100 MMbbppss 以以太太网网接接口口 ---------------------------------------------------------------------- 2233 22)).. 110000MMbbppss 以以太太网网接接口口 ---------------------------------------------------------------------- 2244 33)).. 11000000MMbbppss 以以太太网网接接口口 ---------------------------------------------------------------------- 2255 77.. UUSSBB11..11 接接口口 -------------------------------------------------------------------------- 2266 88.. UUSSBB22..00 接接口口 ---------------------------------------------------------------------- 2277 99.. IIEEEEEE11339944 接接口口 ---------------------------------------------------------------------- 3300 1100.. MMMMCC 卡卡接接口口 ---------------------------------------------------------------------- 3322 1111.. SSDD 卡卡接接口口 -------------------------------------------------------------------------- 3344 1122.. HHDDMMII 接接口口 -------------------------------------------------------------------------- 3366 ProTek 公司產品總代理：中明科技有限公司香港辦事處：香港九龍官塘成業街６號摩登倉２７０２室電話：+852-2344 7899 傳真：+852-2344 0290 Email ID: sales@chinamax.com.hk 深圳联络處：深圳市福田中心区福华三路深圳国际商会中心 2406 室電話：(0755) 8831 2218 傳真：(0755) 8831 2238 1

A leading TVS Supplier Chinamax Technologies Limited 中明科技有限公司接接口口电电路路的的浪浪涌涌冲冲击击防防护护和和应应用用 TTVVSS 的的解解决决方方案案香香港港中中明明科科技技有有限限公公司司--------技技术术应应用用部部 2008.7 一. 引言: “接口电路的浪涌冲击防护”不同于“手持设备的浪涌冲击防护”， “手持设备的浪涌冲击防护”主要考虑 ESD 问题，而“接口电路的浪涌冲击防护”需要考虑雷电. 电快速瞬变脉冲群和 ESD 三个问题，相比之下其防护难度要复杂许多。只有了解雷电. 电快速瞬变脉冲群和 ESD 的危害，才能领会防护雷电. 电快速瞬变脉冲群和 ESD 的意义。 (一). 雷电的危害随着现代化高新技术的迅速发展，通信设备、数据网络、精密仪器、家用电器等电子电气设备的用量越来越大，各类设备遭受到雷击的事故越来越多，造成重要通信设备损坏、通信中断，使许多网络陷入瘫痪状态，产生巨大的经济损失。描述雷电的波形有以下三种：10/350µS 是直击雷的电流波形，8/20µS 是感应雷的电流波形，10/700µS 是模拟雷电的电压波形。雷电对电气设备的影响： 1. 直接雷击：直击雷蕴含极大的能量，峰值电压可高达 5000KV，峰值电流可高达 140KA，具有极大的破坏力，如果建筑物直接被雷电击中，巨大的雷电流沿引入线入地，会造成以下影响： 1).巨大的雷电在数微秒时间内入地，使地电位迅速提高，造成“反击”事故，危害人身和设备的安全； 2).雷电流产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压；雷电流流经电气设备产生极高的热量，造成火灾或爆炸事故。 2. 感应雷击：直接雷击发生后由于静电感应而产生的雷击，常称二次雷击。感应雷的特性：感应雷实际上是一个峰值高. 持续时间 μS 级的脉冲电流（或电压），又称为浪涌电流（或浪涌电压）。与直接雷击的雷电流波形相比，感应雷电流峰值低，半值时间短。从能量角度来看，10/350μS 波形是 8/20μS 波形的 5 倍以上。 IEEE 指出，电力线上的感应雷电流峰值不会大于 10KA（8/20）。雷电压峰值不会大于 20KV （1.2/50）。 IUT 指出数据线上的感应雷电流峰值不会大于 125A（8/20），雷电压峰值不会大于 5KV（10/700）。感应雷击的危害：感应雷击是沿导体传播并将导体相连接的电器设备损坏。它的主要破坏对象是弱电设备，由于雷电流可沿导体传到很远的地方，因此，感应雷击的破坏面很广，人们经常遇到的没有感觉到有雷击而设备损坏了的情况，就是远处的感应雷电流传过来了所致。据统计，全球 80%的雷击损失来自感应雷击。 2 ProTek 公司產品總代理：中明科技有限公司香港辦事處：香港九龍官塘成業街６號摩登倉２７０２室電話：+852-2344 7899 傳真：+852-2344 0290 Email ID: sales@chinamax.com.hk 深圳联络處：深圳市福田中心区福华三路深圳国际商会中心 2406 室電話：(0755) 8831 2218 傳真：(0755) 8831 2238

Chinamax Technologies Limited 中明科技有限公司 A leading TVS Supplier 3. 雷电的几种破坏途径： 1). 直击雷破坏当雷电直接击在建筑物上，强大的雷电流使建筑物水份受热汽化膨胀，从而产生很大的机械力，导致建筑物燃烧或爆炸。另外，当雷电击中接闪器，电流沿引下线向大地泻放时，这时对地电位升高，有可能向临近的物体跳击，称为雷电“反击”，从而造成火灾或人身伤亡。 2). 感应雷破坏感应雷破坏也称为二次破坏。它分为静电感应雷和电磁感应雷两种。由于雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性。 ① 静电感应雷带有大量负电荷的雷云所产生的电场将会在金属导线上感应出被电场束缚的正电荷。当雷云对感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击。易燃易爆场所、计算机及其场地的防静电问题，应特别重视。 ② 电磁感应雷雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上。由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了，对用电设备造成极大危害。因此，避雷针引下线通体要有良好的导电性，接地体一定要处于低阻抗状态。 ③ 雷电波引入的破坏当雷电接近架空管线时，高压冲击波会沿架空管线侵入室内，造成高电流引入，这样可能引起设备损坏或人身伤亡事故。如果附近有可燃物，容易酿成火灾。云层之间频繁放电产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压，峰值电压可达 50KV，峰值电流可达 20KA，严重损坏电气设备。 ProTek 公司產品總代理：中明科技有限公司香港辦事處：香港九龍官塘成業街６號摩登倉２７０２室電話：+852-2344 7899 傳真：+852-2344 0290 Email ID: sales@chinamax.com.hk 深圳联络處：深圳市福田中心区福华三路深圳国际商会中心 2406 室電話：(0755) 8831 2218 傳真：(0755) 8831 2238 3

Chinamax Technologies Limited 中明科技有限公司 (二). 电快速瞬变脉冲群（EFT）的危害电网存在一次回路和二次回路，各种测控设备基本都挂二次回路上运行。由于一次回路和二次回路存在电 . 磁的联系，可以通过变压器，互感器及空间耦合等方式传递干扰信号，这些干扰信号称为“电快速瞬变脉冲群”。高压开关分离与闭合产生“电快速瞬变脉冲群” 高压开关在分离与闭合的运动过程中，触头间将产生电位差，当电位差足够大时，触头间介质击穿产生电弧，击穿的同时由于感性负载的原因产生高频振荡，在线路上产生“电快速瞬变脉冲群”。在电路中，机械开关对电感性负载的切换产生“电快速瞬变脉冲群”干扰，这类干扰的特点是：脉冲成群出现，脉冲的重复频率较高，脉冲波形的上升时间短暂，单个脉冲的能量较低。马达、电动工具、复印机、微波炉、日光灯、电力线和广播电视设备等都会产生电快速瞬变脉冲群，这种 EFT 的典型波形如下： A leading TVS Supplier 这个“电快速瞬变脉冲群”的干扰从时间上看，可以达到 5ns—50ns，从能量上看，可达几百伏，它虽然不会造成电路、设备的损坏、失效或故障，但这种传导的干扰会进入交直流电源端口、I/O 端口、通信端口、其电磁骚扰往往会使电路、设备的工作特性产生不希望的改变，使电路、设备的工作不稳定、甚至失常。 4 ProTek 公司產品總代理：中明科技有限公司香港辦事處：香港九龍官塘成業街６號摩登倉２７０２室電話：+852-2344 7899 傳真：+852-2344 0290 Email ID: sales@chinamax.com.hk 深圳联络處：深圳市福田中心区福华三路深圳国际商会中心 2406 室電話：(0755) 8831 2218 傳真：(0755) 8831 2238

A leading TVS Supplier Chinamax Technologies Limited 中明科技有限公司电快速瞬变脉冲群干扰分为：传导干扰和辐射干扰由于脉冲群的单个脉冲波形前沿 tr 达到 5ns，脉宽达到 50ns；这就注定了脉冲群干扰具有极其丰富的谐波成分。幅度较大的谐波频率至少可以达到 1/π tr，亦即可以达到 64MHz 左右，相应的信号波长为 5m。对于一根载有 60MHz 以上频率的电源线来说，如果长度有 1m ，由于导线长度已经可以和信号的波长可比，不能再以普通传输线来考虑，信号在线上的传输过程中，部分依然可以通过传输线进入受试设备（传导发射）；部分要从线上逸出，成为辐射信号进入受试设备（辐射发射）。因此，受试设备受到的干扰实际上是传导与辐射的结合。很明显，传导和辐射的比例将和电源线的长度有关，线路越短，传导成分越多，而辐射比例越小；反之，辐射比例就大。例如：像带有 USB 数据线并通过 USB 线供电的一类信号线和电源线在一起的设备，如移动硬盘、网络摄像头等都属于这个范畴。电快速瞬变脉冲群干扰是共模性质的：在标准提供的实验设置图中（如上图），可以看到从试验发生器来的信号电缆芯线通过可供选择的耦合电容加到相应的电源线（L1、L2、L3、N 及 PE）上，信号电缆的屏蔽层则和耦合/去耦网络的机壳相连，机壳则接到参考接地端子上。这就表明脉冲群干扰实际上是加在电源线与参考大地之间，因此加在电源线上的干扰是共模干扰。而对于采用耦合夹的实验方式来说，电快速脉冲将通过耦合板与受试电缆之间的分布电容进入受试电缆，而受试电缆所接收到的脉冲仍然是相对参考接地板来说的。因此，通过耦合夹对受试电缆所施加的干扰仍然是共模性质的。确定了干扰的性质，那么我们就可以采取相应的措施使设备顺利通过实验。那么我们不难看出，电源滤波器中所使用的 X 电容（差模电容）对于 EFT 干扰是没有抑制作用的。如果设备是金属外壳，Y 电容（共模电容）会起作用，将高频 EFT 旁路到外壳上面，然后通过设备外壳和参考地间的分布电容回到信号源，从而不会进入电路。电快速脉冲干扰导致设备失效的机理根据国外学者对脉冲群干扰造成设备失效的机理的研究，单个脉冲的能量较小，不会对设备造成故障。但脉冲群干扰信号对设备线路的电容充电，当上面的能量积累到一定程度之后，就可能引起线路（乃至系统）的误动作。 5 ProTek 公司產品總代理：中明科技有限公司香港辦事處：香港九龍官塘成業街６號摩登倉２７０２室電話：+852-2344 7899 傳真：+852-2344 0290 Email ID: sales@chinamax.com.hk 深圳联络處：深圳市福田中心区福华三路深圳国际商会中心 2406 室電話：(0755) 8831 2218 傳真：(0755) 8831 2238

A leading TVS Supplier Chinamax Technologies Limited 中明科技有限公司因此，线路出错会有个时间过程，而且会有一定偶然性（不能保证间隔多少时间，线路一定出错，特别是当试验电压达到临界点附近时）。而且很难判断究竟是分别施加脉冲，还是一起施加脉冲，设备更容易失效。也很难下结论设备对于正向脉冲和负向脉冲哪个更为敏感。实践表明，一台设备往往是某一条电缆线，在某一种试验电压，对某个极性特别敏感。实验显示，信号线要比电源线对电快速脉冲干扰敏感得多。（三）. 静电放电（ESD）的危害由于物体的接触分离，静电感应、介质极化和带电微粒的附着等原因，使物体正负电荷失去平衡或分布不均，于是物体带电，当带电物体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，就形成“静电放电”，静电放电产生的电磁辐射对电子元件产生有害影响，对电子装置、通信设备等产生电磁干扰，无论什么时候人员对附近物体发生静电放电时，设备都可能遭受电磁能量的侵害。合成纤维与干燥的气候相结合特别有助于静电电荷的产生，充电过程的变化有多种可能性，一种常见的情况是操作者在地毯上行走，每走一步将身体上的电子传给化纤织物或从化纤织物上获得电子，操作者的衣服与座椅之间的磨擦也会产生电荷的交换。 “静电”由大气的相对湿度决定，不同纤维的充电电压值，由于纤维的种类和环境的相对湿度不同，设备直接遭受放电的电压可高达几千伏。静电放电(ESD)是在电子装配中电路板与元件损害的一个熟悉而低估的根源。它影响每一个制造商，无论其大小。虽然许多人认为他们是在 ESD 安全的环境中生产产品，但事实上，ESD 有关的损害继续给世界的电子制造工业带来每年数十亿美元的代价。 ESD 以极高的强度很迅速地发生，通常将产生足够的热量熔化半导体芯片的内部电路，在电子显微镜下外表象向外吹出的小子弹孔，引起即时的和不可逆转的损坏。更加严重的是，这种危害只有十分之一的情况坏到引起在最后测试的整个元件失效。 6 ProTek 公司產品總代理：中明科技有限公司香港辦事處：香港九龍官塘成業街６號摩登倉２７０２室電話：+852-2344 7899 傳真：+852-2344 0290 Email ID: sales@chinamax.com.hk 深圳联络處：深圳市福田中心区福华三路深圳国际商会中心 2406 室電話：(0755) 8831 2218 傳真：(0755) 8831 2238

A leading TVS Supplier Chinamax Technologies Limited 中明科技有限公司保护设备免受“静电放电”影响的问题对制造厂和用户来说都是相当重要的，随着微电子元件的广泛应用，为了提高产品和系统的可靠性，迫切需要解决“静电放电”问题。二.浪浪涌涌冲冲击击的的类类型型和和防防护护器器件件浪浪涌涌冲冲击击分分为为三三种种类类型型：：雷雷电电浪浪涌涌冲冲击击，，电电快快速速瞬瞬变变脉脉冲冲群群浪浪涌涌冲冲击击和和静静电电放放电电浪浪涌涌冲冲击击。。这这三三种种浪浪涌涌冲冲击击的的防防护护都都属属于于国国家家强强制制管管理理的的范范畴畴，，可可见见““浪浪涌涌冲冲击击防防护护””的的重重要要性性和和使使用用 TTVVSS 的的必必然然性性。。 11.. 雷电的防护：雷雷电电浪浪涌涌冲冲击击的的能能量量巨巨大大，，要要分分为为两两级级来来防防护护处处理理，，一一级级防防护护使使用用““气气体体放放电电管管””；；二二级级防防护护使使用用 TTVVSS。。 “气体放电管”是由封装在玻璃管或陶瓷管的一对电极构成, 其电气性能基本上取决于气体的种类.气体的压力以及电极的距离, 当有雷电冲击时电极间产生电弧. 电离气体, 产生“负阻特性”，放电的路径是由“高阻抗”转向“低阻抗”。气体放电管在正常工作条件下不工作, 呈现”高阻抗”, 在有雷电冲击时, 高压脉冲耦合到电极上, 当脉冲电平超过“动态电压门限”时，GDT 变为“低阻抗”进入“导通状态”将能量释放到“地”达到保护的目的。由于 GDT 对雷电的响应是以 1KV/ms 的速度而上升的, ”响应速度”较慢, 对于快速的雷电来说会造成剩余残压, 为此需要采用 TVS 对这个剩余残压进行箝位处理，既是二级浪涌冲击防护。 ProTek 公司產品總代理：中明科技有限公司香港辦事處：香港九龍官塘成業街６號摩登倉２７０２室電話：+852-2344 7899 傳真：+852-2344 0290 Email ID: sales@chinamax.com.hk 深圳联络處：深圳市福田中心区福华三路深圳国际商会中心 2406 室電話：(0755) 8831 2218 傳真：(0755) 8831 2238 7

Chinamax Technologies Limited 中明科技有限公司 2.电电快快速速瞬瞬变变脉脉冲冲群群的的防防护护：：电快速瞬变脉冲群的试验分别在“电源线”和“信号线”上进行，试验条件很严酷，具体如下： A leading TVS Supplier 防防护护““电电快快速速瞬瞬变变脉脉冲冲群群““的的骚骚扰扰使使用用的的器器件件有有：：金属氧化物压压敏敏电电阻阻（MOV） .. 聚聚合合物物器器件件.. 瞬态电压抑制器（TVS）。。 3. 静电放电的防护：静电放电的试验分为 4 个等级，它的防护器器件件也也是是金属氧化物压压敏敏电电阻阻（MOV） .. 聚聚合合物物器器件件.. 瞬态电压抑制器（TVS）。。 8 ProTek 公司產品總代理：中明科技有限公司香港辦事處：香港九龍官塘成業街６號摩登倉２７０２室電話：+852-2344 7899 傳真：+852-2344 0290 Email ID: sales@chinamax.com.hk 深圳联络處：深圳市福田中心区福华三路深圳国际商会中心 2406 室電話：(0755) 8831 2218 傳真：(0755) 8831 2238

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