浪涌静电抑制器（浅谈防护电路--浪涌）

今天以消费类电子为例，讲一下常见的防护电路。

防护电路，防的是什么呢？那要看什么样的应用场景，以下场景为常见的场景：

1， 常见放电波形:

a.雷击；

b.上电浪涌；

c.静电；

静电放电模型有三种：人体带电模式（Human Bod Mode）;机器放电模式（Machine Mode）;器件带电模式（Charged Devcie Mode）。

在讲防护电路前，需要知道防雷器的概念。

防雷器：又称电涌保护器或者说浪涌保护器（Surge Protection Devices,SPD），安装在设备端口，通过泄放电流、限制浪涌电压的方式保护设备免受雷电电流、过电压等损伤，至少包含一个非线性器件。而泄放雷电流、限制浪涌电压这两个作用都是由其非线性元件（一个非线性电阻，或是一个开关元件）完成的。在被保护电路正常工作。瞬态浪涌未到来以前，此元件呈现极高的电阻，对被保护电路没有影响；而当瞬态浪涌到来时，此元件迅速转变为很低的电阻，将浪涌电流旁路，并将被保护设备两段的电压限制在较低的水平。到浪涌结束，该非线性元件又迅速、自动地恢复为极高电阻。它的作用是保证电子设备免受浪涌过电压(雷电过电压、操作过电压等) 的破坏, 既不影响设备的正常工作, 又将过电压限制在相应设备的耐压等范围内, 目的在于限制瞬态过电压和分走电涌电流, 也是等电位连接的一种方法。浪涌防护系统最常用的防护器件主要有氧化金属压敏电阻（MOV）、硅瞬变电压吸收二极管（TVS）、放电管等。不同特性的SPD应用于不同的雷电防护环境，并通过级联组合发挥作用。

残压：雷电、浪涌或者静电信号经过防护器件时，两端口之间呈现的电压。这个电压往往比较高，而被保护端口自身的抗压水平必须高于防雷器的输出残压且有一定余量才行，因此防护电路往往是组合使用的，大功率防护器件先把能量泄放，剩下的残压再经过第二个防护器件泄放，残压进一步变低，满足器件端口要求。

雷电、浪涌和静电对应的模拟波形：

1.2/50us冲击电压：模拟的是雷击时户内走线线缆上产生的感应过电压的模拟波形，用于设备端口过电压水平测试，主要用于室内通讯设备的电源端口和信号线测试；

1.2/50us和8/20us 混合波：是浪涌发生器输出的具有特定开路/短路特性的波形。输出开路时，输出波形是1.2/50us的开路电压波；输出短路时，输出波形是8/20us的短路电流波。实际电路中既不是开路也不是短路，所以在实际测试中发生器输出的是两种波的混合波形；主要测试对象：电源端口，比如手机的电池口，USB口等。模拟的是扣电池或者插USB充电瞬间的浪涌情况；

10/700us冲击电压：雷击时户外走线电缆上上的雷过电压的模拟波形。用于设备端口过电压耐受水平测试时用的波形，主要用于户外走线的信号线的测试；

8/20us冲击电流：雷击时线缆上产生的电流模拟波形，设备的累计过电流耐受水平测试用标准波形，主要用于通信设备的电源和天馈口。比如基站、直放站的电源和天线口；

以上波形的定义，前面的数字表示从10%上升到总能量的90%的时间，后面的数字表示下降到总能量50%的时间，比如8/20us的电压波，表示8us上升到最高电压的90%，20us后下降到最高电压的50%。

2 常见的浪涌抑制器件特点及应用

a. 气体放电管

气体放电管一般由上面的图标表示，尤其是左上角的图标，空气放电管采用陶瓷密闭封装，内部由两个或数个带间隙的金属电极，充以惰性气体（氩气或氖气）构成。当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管便开始放电，器件变为短路状态，使电极两端的电压不超过击穿电压。气体放电管一旦导通后，它两端的电压会很低。气体放电管有两极和三极之分，可分别用于线间和线－地间的保护。气体放电管的基本特点是：通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小。但残压高，一般会有20~50V，反应时间慢(几百ns到几us)，动作电压精度较低，有续流现象。但由于通流量比压敏电阻和TVS管都要大得多，因此一般放在被防护电路的最前级，后级的压敏电阻和TVS管响应时间很快，对后级电路的保护效果更好。

实物如下图所示：

b.

压敏电阻

"压敏电阻"是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。英文名称叫"Voltage Dependent Resistor"简写为"Varistor"。压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的"氧化锌"（ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素锌（Zn）和六价元素氧（O）所构成。

利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。

压敏电阻的响应时间为ns级，比气体放电管快，比TVS管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。结电容一般在几百到几千pF的数量级范围，因此不可以应用在高频信号线路的保护中。而应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会增加漏电流，因此在设计时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量也就是吸收能量的能力较大，但比气体放电管低。

主要由两种封装形式： 插件式和贴片式

工作原理：可变电阻，并联于电路中。当电路在正常使用时，压敏电阻的阻抗很高，漏电流很小，可视为开路，对电路几乎没有影响。但当一很高的浪涌电压到来时，压敏电阻的电阻值瞬间下降（它的电阻值可以从MΩ（兆欧）级变到mΩ（毫欧）级），使它可以流过很大的电流，同时将过电压箝位在一定数值。压敏电阻的浪涌承受能力取决于它的物理尺寸，因而有可能获得不同的浪涌电流值.

特性曲线：

由图可见，当电压较低时，压敏电阻工作于漏电流区，呈现很大的电阻，漏电流很小；当电压升高进入非线性区后，电流在相当大的范围内变化时，电压变化不大，呈现较好的限压特性；电压再升高，压敏电阻进入饱和区，呈现一个很小的线性电阻，由于电流很大，时间一长就会使压敏电阻过热烧毁甚至炸裂。正常使用时压敏电阻处于漏电流区，受到浪涌冲击时进入非线性区泄放浪涌电流，一般不能进入饱和区。

主要参数：

1 压敏电压：通常以在压敏电阻上通过1mA 直流电流时的电压来表示其是否导通的标志电压，这个电压就称为压敏电压UN。压敏电压也常用符号U1mA 表示。压敏电压的误差范围一般是±10%。在试验和实际使用中，通常把压敏电压从正常值下降10%作为压敏电阻失效的判据。

2 最大持续工作电压UC：指压敏电阻能长期承受的最大交流电压有效值Uac或最大直流电压Udc。一般Uac≈0.64U1mA，Udc≈0.83U1mA。

实际应用中尽可能选择最高工作电压＜0.5U1mA

③通流量（最大冲击电流）IP：指压敏电阻能够承受的8/20μs 波的最大冲击电流峰值。"能够承受"的含义是，冲击后压敏电压的变化率不大于10%。现行的技术规格书中通常都给出了冲击1 次的IP 值

④最大箝位电压（限制电压）VC：技术规格书中给出的最大箝位电压值是指给压敏电阻施加规定的8/20μs 波冲击电流IX（A）时（见下图），压敏电阻上呈现的电压。实际使用中，压敏电压越高，施加的冲击电流越大，限制电压（或称残压）就越高。

C．TVS管—电压钳位型瞬态抑制二极管

瞬态抑制二极管Transient Voltage Suppressor与压敏电阻类似，也是利用器件的非线性特性把过压钳制到一个相对降低的水平以实现对后级电路的保护，在外界的高压消失以后，TVS管恢复高阻状态。TVS管的主要参数有：反向击穿电压VBR、最大钳位电压Vclamp、瞬时功率、结电容、响应时间等。TVS管的响应时间是ps级的，在所有浪涌防护器件中是最快的。结电容有高结电容型和低电容型，其中低结电容型的结电容由几pF到几十pF，可以用于高频电路的防护；TVS管有个优点是可以灵活选择单向和双向类型的，在直流电源或者单极性信号电路中应用，可以获得更低的钳制电压。

TVS管可以承受很高的IPP，也就是峰值脉冲电流，有很高的功率吸收能力，在实际电路应用中，往往是采用高功率TVS管 稳压管 uF级大电容。

下面的两幅图也可以大体看出TVS管和稳压管的区别；

1， TVS管响应速度够快，IPP够大，功率可以达到上千W，作为前级防护电路，可以最大限度的吸收能量，但残压相对较高；

2， 稳压管的IV曲线更陡峭，虽然功率只有0.5W,1W,2W等，但更陡峭的IV曲线意味着残压相对较低，可以控制残压在被保护器件的最高工作电压以下，可以作为TVS管的次一级防护电路；

3， 浪涌器件的应用

a. 电源电路防浪涌；

大部分电源防浪涌是用的以上的防护组合--压敏电阻或者TVS管在最前面，功率都是千瓦级的，把大部分能量泄放到地，但此时残压仍然比较高，需要一个稳压管进一步降低残压，此时的残压应该是在安全电压以下或者接近安全电压，最后的几十uF电容可以进一步提升浪涌电压的能力。电源口防护简单描述如下:

具体的能量泄放和钳压过程如下：

b. 单向信号电路防静电；

c. 交流信号防静电；

以天线端口为例，讲下这部分电路的防护，因为天线处的信号有正有负，所以单端口TVS管不适合，需要用到双向TVS管。且TVS管需要符合以下几个条件：

1，低寄生电容—减少对主射频信号的影响；

2， 低钳位电压—保证静电以后的残压足够低，以保护天线通路上的器件；

3， 低操作电压—远远高于实际信号工作电压，如果操作电压过低，TVS管容易导通，从而产生非线性分量，导致杂散超标等问题，如果操作电压过高，则静电发生的时候，TVS管迟迟不不导通，从而起不到该有的保护作用；

比如semtech的antenna口专用的TVS管，基本指标如下：

反向截至电压：5V；

反向击穿电压VBR：6V

钳位电压Vclamp：12V

结电容Cj：0.8pF

以上的TVS管适合FM天线、手机接收天线、wifi天线、GPS天线等信号能量等级是mw级，信号电压大小是mv级的。

那么问题来了，如果天线端口的信号幅度高于TVS管怎么办？比如GSM900工作的时候，信号电压超过±10V，这个时候5V工作电压的TVS管就不管用了，其中一条思路是选用工作电压远远高于10V的TVS管。比如18V和27V工作电压的TVS管RClamp1851ZA和RClamp2451ZA

另外一种思路：从频域的角度出发利用LC高通网络滤除静电信号，

先看下模拟静电信号的频谱：

静电频谱

可以看出，静电的能量主要集中在200MHz以内的低频，所以如果我们能做一个高通（HPF）网络，滤除200MHz以下的信号，同时保证主射频信号损失极低，那就可以不损失射频指标的前提下达到衰减静电损伤的目的。

LC静电防护网络

S21曲线

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