被選擇的器件必須能夠提供高水平的保護(hù),而不對(duì)一般的電路運(yùn)行造成干擾
---- 瞬態(tài)電壓在電信設(shè)備中是普遍存在的事實(shí)。實(shí)際上,閃電和ESD保護(hù)長(zhǎng)期以來(lái)由保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（如美國(guó)的Bellcore 1089和歐洲的ITUK20-21）來(lái)執(zhí)行。而今天,選擇合適的電路保護(hù)器件則是首當(dāng)其沖的。 ---- 半導(dǎo)體復(fù)雜性的不斷增加使之對(duì)不斷減少的幾何電容造成的過(guò)壓影響更加敏感。電路保護(hù)設(shè)備的選擇面臨很大的挑戰(zhàn)。 ---- 所選器件必須能提供高水平的電路保護(hù)而不會(huì)對(duì)通常的電路運(yùn)行造成干擾。高速度的系統(tǒng)尤其困難,因?yàn)槿魏卧黾拥钠骷紩?huì)造成相當(dāng)大的信號(hào)失真。 詳述及標(biāo)準(zhǔn)波形 ---- 瞬態(tài)事件已被研究了很多年了。大多數(shù)都由幾個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述,這些標(biāo)準(zhǔn)為電子設(shè)備定義了瞬態(tài)保護(hù)的要求。比如,代表感應(yīng)閃電瞬態(tài)的電壓波形,通常被描述成一個(gè)雙指數(shù)脈沖。 ---- 雙指數(shù)浪涌波形被定義為在到達(dá)峰值時(shí)有一個(gè)指數(shù)上升,從峰值跌落有一個(gè)指數(shù)衰減。該脈沖由一個(gè)從峰值的10%上升到90%的上升時(shí)間和衰減到50%的衰減來(lái)說(shuō)明。 ---- 美國(guó)電信系統(tǒng)中感應(yīng)閃電最常見的雙指數(shù)波形之一是10/100μs脈沖波形,由Bellcore TRNWT-001089所定義。國(guó)際電信標(biāo)準(zhǔn)如TTUK20-K21詳述了閃電感應(yīng)的5/310μs的瞬態(tài)脈沖。最近的一些瞬態(tài)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)有由歐洲機(jī)構(gòu)設(shè)定的IEC 61000-4-x系列標(biāo)準(zhǔn)。 ---- IEC 61000-4-2系列對(duì)人為的ESD瞬態(tài)要求進(jìn)行了定義。測(cè)試電壓范圍2～15kV,峰值電流高達(dá)30A。IEC 61000-4-2所定義的ESD波形速度極快,最大上升時(shí)間為1ns,總持續(xù)時(shí)間僅60ns。 ---- 脈沖包含的總能量有幾百個(gè)微焦。IEC 61000-4-5定義了威脅電信線路的閃電。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用雙指數(shù)脈沖（10/700μs）描述這種威脅。 ---- 瞬態(tài)電壓對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的影響是潛在的和巨大的。一個(gè)設(shè)計(jì)周到的系統(tǒng)必須考慮到每一種威脅,提供可靠的保護(hù)電路,而且不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。保護(hù)器件有好幾種,但并不是每一種都能應(yīng)用在特定的應(yīng)用場(chǎng)合中。 保護(hù)技術(shù) ---- 處理閃電和ESD感應(yīng)情況的最好方法是從敏感元件上將瞬態(tài)電壓轉(zhuǎn)移走。一般由一個(gè)并聯(lián)連接的保護(hù)器件完成。發(fā)生瞬態(tài)事件時(shí),瞬態(tài)電流通過(guò)瞬態(tài)抑制器分流,使被保護(hù)電路上的電壓降低。 ---- 這種類型的浪涌抑制器分為兩類：鉗式和桿式。每種類型都為一種給定的瞬態(tài)條件而優(yōu)化。 ---- 鉗式器件的非線性電流-電壓特性曲線與齊納二極管的相似。在一般工作條件下,鉗式器件對(duì)于被保護(hù)電路來(lái)說(shuō)如同一個(gè)高阻抗器件。理想狀態(tài)下,該器件可表現(xiàn)為開路,盡管存在很小的漏電流。 ---- 當(dāng)瞬態(tài)電壓超過(guò)了正常的工作電壓,器件開始導(dǎo)通,成為瞬態(tài)電流的一條低阻抗通路。瞬態(tài)功率耗散在器件內(nèi)部,并受最大允許結(jié)溫的限制。 ---- 當(dāng)線電壓回到正常水平時(shí),鉗式器件可自動(dòng)轉(zhuǎn)回到高阻抗?fàn)顟B(tài)。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管是典型的鉗式器件。TVS二極管在板級(jí)低電壓應(yīng)用如T1/E1,T3/E3,Ethernet和ADSL電路中是最佳選擇。 ---- 另一方面,桿式器件開始時(shí)是失效的,有正電阻,當(dāng)?shù)竭_(dá)導(dǎo)通電壓時(shí),它跳回到一個(gè)低導(dǎo)通狀態(tài)電壓。這個(gè)低的導(dǎo)通狀態(tài)電壓使器件消耗的功率更少,從而提供一個(gè)與鉗式器件相比更高的浪涌電流處理能力。 ---- 缺點(diǎn)是通過(guò)器件的電流必須降到規(guī)定的保持電流以下,使它能夠回到不導(dǎo)通狀態(tài)。在電信應(yīng)用中,兩個(gè)常用的桿式器件是氣體放電管和TVS晶閘管。桿式器件在高電壓鈴聲信號(hào)或電池電壓驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用（如POTS和SLIC接口）中有很多優(yōu)點(diǎn)。 ---- 圖1展示了典型的SLIC接口保護(hù)電路。這個(gè)設(shè)計(jì)使用一個(gè)基于晶閘管的TVS器件,把器件與系統(tǒng)的電池電壓（一般-48～-100V）相比,對(duì)它進(jìn)行編程。當(dāng)線電壓超過(guò)系統(tǒng)的電池電壓,門點(diǎn)火二極管前偏置,使內(nèi)部的晶閘管點(diǎn)火,將浪涌電流引入地。 ---- 設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)一般在超過(guò)電池電壓大約5V時(shí)點(diǎn)火。對(duì)于正時(shí)間瞬態(tài),引導(dǎo)二極管前偏置,再次將浪涌引入地。這種類型的可編程保護(hù)尤其適用于新的自振鈴SLIC IC。 ---- 新的器件設(shè)計(jì)要求具備高速通信系統(tǒng)所需的低工作電壓和低電容特性。低電容保護(hù)一般可分為三種結(jié)構(gòu)： ---- 1、低電容分流保護(hù) ---- 低電容分流結(jié)構(gòu)利用了串聯(lián)電容關(guān)系。兩個(gè)串聯(lián)電容器的電容值比最小的電容還要小。 ---- 2、電源滿擺幅保護(hù) ---- 另一個(gè)常見的保護(hù)高速數(shù)據(jù)線路方法是在電源滿擺幅結(jié)構(gòu)中使用低電容引導(dǎo)二極管。每條線路上兩個(gè)器件被連接在兩個(gè)固定的電壓基準(zhǔn)之間,如Vcc和地。當(dāng)瞬態(tài)電壓超過(guò)二極管前置電壓降與基準(zhǔn)電壓之和時(shí),二極管將浪涌引入電源基準(zhǔn)或地。 ---- 這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)有：低負(fù)載電容、快速響應(yīng)時(shí)間和固有的雙向性（在基準(zhǔn)電壓內(nèi)）。也有幾個(gè)缺點(diǎn)：首先,分立的器件無(wú)法很好地處理與ESD有關(guān)的高的瞬態(tài)電流,而且,如果超過(guò)二極管的額定功率,二極管會(huì)被擊穿。 ---- 這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)問題是：將浪涌引入電源基準(zhǔn)時(shí)會(huì)對(duì)下游器件造成損壞。在電源基準(zhǔn)線加一個(gè)TVS二極管就能解決這個(gè)問題。 ---- 由于TVS和保護(hù)二極管之間的寄生電感產(chǎn)生一個(gè)很大的鉗位電壓上升,因此,電路板的布局也要仔細(xì)考慮。集成TVS器件如Samtech的Rail Clamp系列克服了這種結(jié)構(gòu)中固有的缺點(diǎn),同時(shí)還具有很多優(yōu)點(diǎn)。這些器件集成了有額定浪涌電壓的低電容引導(dǎo)二極管,還集成有TVS二極管。 ---- 從分流和電源滿擺幅拓?fù)涫芤娴膽?yīng)用實(shí)例就是T1/E1接口。一個(gè)典型的T1/E1保護(hù)電路如圖2所示。在變壓器一端,低電容TVS二極管陣列起閃電和ESD保護(hù)的作用。這個(gè)器件應(yīng)該能夠處理設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的閃電浪涌,并應(yīng)該能鉗住最大為6V的瞬態(tài)電壓。
圖1：典型的SLIC接口保護(hù)電路用一個(gè)基于晶閘管的TVS器件,把器件與系統(tǒng)的電池電壓相比,對(duì)其編程。
