微电子设备的防雷及过电压保护
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摘要：当今社会，微电子设备已经成为人们生活中不可缺少的一部分，但其自身的特性导致极易受到雷电的冲击，因此微电子设备的防护成为了当下急要解决的问题。本文通过对雷电形成及危害途径的分析，介绍了关于防雷及过电压保护的常用器件及方法。
关键字：微电子设备；防雷保护；过电压保护
中图分类号：TU856 文献标识码：A
雷电是雷雨云中的正负电荷的短时间放电现象，促使雷雨云中的正负电荷越过绝缘介质放电并释放能量这一过程，我们称之为雷电过程。对于雷电人们都还是存在恐惧心理，历来都有以“天打雷劈”发誓或诅咒的例子。作为自然界的一种正常现象，雷电流在放电的瞬间浪涌电路能够达到1KA～100KA，能量巨大，时常造成建筑物的损坏、通信的中断、引起火灾，甚至还危及人的生命，给人们的人身、活动带来巨大的影响。随着经济的发展，信息化设备得以广泛的应用。如今，微电子及计算机设备已经广泛的深入到各行各业，相应的对其的保护也越来越重要。微电子设备是一种集成度高的产品，但耐冲力却很低，因此雷电对于金融、电力调度站、微波通信站、航空通信、气象中心及计算机中心等集中较多微电子设备的场所造成的危害尤其严重。目前，雷电感应及电磁脉冲对微电子设备的损害呈逐年上升的趋势。对微电子设备采取可行的保护措施，减少冲击过电压或遭受雷电的损坏和干扰，已经成为当前急需解决的问题。
对于微电子设备来说，其通常在低压电网中展开工作，而低压电网中有四种过电压，分别是：静电放电、雷电引起的过电压、工频过电压以及操作过电压。过电压通常以差模（过电压在带电导体之间产生）和共模（过电压在带电导体或中性线和大地之间产生）两种干扰方式干扰低压电网[1]，且通过传导和感应两种方式传播。其中传导过电压是沿线路传播的，其高压侧4%的过电压是通过高低压绕组和高低压绕组之间的耦合电容窜到低压侧的，以致造成低压供电线路过电压；感应过电压是雷击落在线路附近形成的辐射电磁场在闭合回路中产生的过电压。为了防止过电压对电气设备的灵敏度造成破坏，必须在可能出现高压电的导线上与均压等电位系统在极短的时间内实现短路。
一、雷电的危害途径
雷电主要由以下三个途径造成破坏：①雷云对大地放电或雷云之间迅速放电所形成的静电感应和电磁感应，即感应雷的高压脉冲。②由于直击雷通过接地网在入地时产生高电位，通过零线、电子设备被地线及保安接地线传导造成危害。③直击雷直接击中金属导线。
二、常用防雷及过电压器件
目前我国的防雷及过电压保护器件有许多，但常用的主要有气体放电管、瞬态电压抑制器和压敏电阻。
（一）气体放电管
作为低灵敏度的保护器件，气体放电管是用玻璃封装或陶瓷封装的一对隔开的冷阴极电极，内部冲有一定压力的惰性气体，通常多数是氩气。其工作原理是：当加在气体放电管两电极之间的电压达到电极击穿电压U br 时,放电间隙会立即点火放电并流通较大的电流，此时气体放电管两端的电压随即降到电极间的电弧电压，呈现出低电阻。气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压，且击穿现象的反应时间很短，一般在µm微秒数量级，也正是基于快速的反应时间气体放电管被广泛应用于远程通信领域，其优点是耐电流大和静电容小，缺点是点火电压高，在直流电压下不能恢复到截止的状态，不能对低电压的电路进行防护。
（二）瞬态电压抑制器
瞬态电压抑制器（TVS）通常以二极管形式出现，一种具有双向负阻特性和双向稳压特性的过压保护器件，与压敏电阻器类似并应用于各种交流及直流电源电路。其工作原理是：当被保护电路出现瞬间浪涌脉冲电压时，双向击穿二极管会迅速击穿，并由高阻状态变为低阻，对浪涌电压进行分流、箝位，从而对电路中各元件进行保护，以防止被瞬间浪涌脉冲电压损坏。由于瞬态电压抑制器具有ps级的响应速度、漏电流低、瞬态功率大、体积小、击穿电压偏小、无损坏极限、籍位电压较易控制等特点, 目前已经在计算机系统、RS232/422、通讯设备、共模/差模保护、数字照相机的保护、仪器仪表等领域得到广泛的应用。与一般稳压管不同，TVS管有单向与双向之分，其中单向TVS管的特性与稳压二极管相似，双向TVS管的特性与两个稳压二极管反向串联效果相同。在实际的使用中TVS一般是工作于反向截止状态，对电路的任何功能不产生任何影响。
（三）压敏电阻
压敏电阻是一种具有瞬态电压仰制功能的限压型保护器件，是一种对电压特别敏感的非线性电阻[2]。最常见的压敏电阻是金属氧化物压敏电阻，其包含由氧化锌颗粒与少量其他金属氧化物或聚合物间隔构成的陶瓷块。其中颗粒与邻近氧化物的交界处产生二极管效应，因此凸显了压敏电阻电压-电流特性曲线的高度非线性，即低压时电阻高、高压时电阻低。根据压敏电阻的防护，大致将其分为四种类型，即连接于电源线之间和大地之间的压敏电阻、在负荷中保护、接点间的连接保护及保护半导体器件，且皆被广泛应用于各个领域的各种设备。其应用优点是具有宽范围的电压要求、反应速度快、非线性指数大、无续流、无极性、成本低、寿命长；缺点是钳位系数小，温度系数呈现负值且使用的温度范围很低，多次电压电涌后性能还会下降，可靠性不高。
三、防雷及过电压的保护
通常在微电子设备防雷击过电压保护工作中采用分流、屏蔽、均压、保护及接地等方式进行。不少部门还通过规程、标准、文件等形式对设备电压防护的措施作了规定。
微电子设备防雷与过电压的保护是一项综合性的工程，当中分流、均分、屏蔽、接地及保护都是防护过电压的关键。但是对于目前的电子设备来说，其耐受冲击的能力远低于电力设备，若一样的采用分流、均分、屏蔽、接地及保护等措施或普通的避雷设备是远远不足以保护电子设备的。因此需要集中不同的防护过电压器件的优点，构成多级的防护体系，其中应该包括泄流与限压等防护。其原理是：第一级有气体放电管承担，作用是泄放脉冲电流；第二级有压敏电阻承担；第三极则由TVS管进行防护作用是限压，以保证设备端的残压稳定在允许的水平范围内。
现在微电子技术发展很快，计算机等微电子设备成为各领域必不可少的一部分，然而由于其自身的集成性导致其脆弱性的突出，雷击事件频繁发生，管理成了使用者考虑最多的问题。针对不同的设备，根据本身的特性采用合理有效地辅助器件或防护措施，综合的运用分流、均压、屏蔽、接地和保护等技术，能够使微电子设备得以可靠的保护。
参考文献：
[1]钱金川.微电子设备防雷及电涌保护[J].制造与测试.2012:75～80.
[2] 张馨,张建玲,金乾林,张明强.谈微电子设备的防雷与接地[J].现代农业科技.2009(23):301.
[3]. 韩海轮. 防雷工程设计方案审核要点浅析. 第7届中国国际防雷论坛论文集.2008:18～19.
作者简介：宋鹍（1985-）男，汉，甘肃省陇南市人， 本科学历，助工从事防雷工作。