一台收发器从现场送回，线路驱动器所在的位置出现了一个洞。客户说附近遭雷击，但并非直接击中。你单独测试了集成电路，它通过了所有测试。真正的原因在其他地方：浪涌保护器的钳位速度太慢，引线过长，而且接地回路的设计存在缺陷。器件本身没有问题，问题出在系统上。
作为设计人员，浪涌抑制和接地是您的责任，而不是集成电路供应商的责任。忽略它们会导致频繁的返修、反复的现场故障以及安全隐患。那么，根据IEC 61000-4-5标准，瞬态电压是如何对节点施加应力的？为什么保护级必须协同工作？浪涌保护装置应该安装在哪里？接地和布局如何决定防雷/浪涌保护是否有效？
关键精华
首先要弄清楚你的用电高峰环境，并测试相应的波动水平。这将指导你之后做出的每一个决定。
让各保护级协同工作。在它们之间增加阻抗，使它们分担浪涌能量。
保持浪涌保护器的电线短而直。电线过长会导致额外的电压更高。
在铺设电路板之前，先规划好接地路径。短而低电感的接地路径能确保保护功能正常工作。
遵循爬电距离、间隙和设计防火措施（DFM）规则。这些规则可以防止瞬态电流跨越间隙。
董事会层面的激增威胁
IEC 61000-4-5 测试等级
IEC 61000-4-5 标准规定了您设计时应遵循的浪涌波形。组合波发生器是最常用的浪涌源。它输出 1.2/50 µs 的开路电压和 8/20 µs 的短路电流，因此工程师称之为“1.2/50-8/20 µs”浪涌。其有效输出阻抗为 2 Ω，即峰值开路电压与峰值短路电流之比。而室外通信设备则需要使用能量更高的浪涌发生器，其输出的电压波为 10/700 µs，电流波为 5/320 µs。
波形集 | 电压波形 | 电流波形 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
组合波 | 1.2 微秒/50 微秒 | 8 微秒/20 微秒 | 大多数应用程序 |
高能发电机 | 10 微秒/700 微秒 | 5 微秒/320 微秒 | 户外电信网络 |
前沿时间和持续时间是虚拟参数，并非简单的上升时间。对于开路电压，前沿时间等于 30%–90% 上升时间的 1.67 倍。在选择元件之前，请将您的产品标准与测试水平进行匹配。发生器阻抗表示给定电压会向电路板注入多少电流。
浪涌如何对半导体结造成应力
雷击或开关浪涌会通过两种方式到达电路板。共模瞬态电压会推动电流流经接口电缆并最终通过地线返回。差模瞬态电压则出现在信号线对上。两者都会以电涌和尖峰的形式耦合到电路板走线上，并且都会首先冲击最薄弱的节点。
半导体结最先失效，因为它们会将电流集中在一个极小的空间内。瞬态电压一旦超过反向击穿区，就会将能量集中到一个很小的硅片区域。随后局部过热，导致结短路。这就是为什么连接器上的浪涌保护器比强大的集成电路更重要的原因。浪涌保护器必须在能量到达芯片之前将其分流。
首先确定您的浪涌环境和测试等级。从浪涌保护阶段到布局设计，后续的每一个选择都取决于这个数值。
分级浪涌抑制架构
单个设备无法承受雷击浪涌并同时牢牢夹紧集成电路。你需要一个分级保护系统。每一级都能处理其擅长的能量，各级之间分担压力。
协调金属氧化物压敏电阻 (MOV)、气体放电管 (GDT) 和瞬态电压源 (TVS) 二极管
三级模型在进线端设置气体放电管 (GDT)，中间层设置金属氧化物压敏电阻 (MOV)，在被保护电路附近设置瞬态电压抑制二极管 (TVS)。进线端浪涌保护级用于分流大电流。中间层吸收通过的电流。末级钳位集成电路引脚上的残余电压。
参数 | GDT | MOV的 | TVS二极管 |
|---|---|---|---|
响应速度 | 100纳秒 – 1微秒 | 1 – 25 纳秒 | 亚纳秒 |
浪涌电流处理 | 5 – 100 千安 | 500 安培 – 40 千安培 | 10 – 500 安 |
能量吸收 | 高（通过弧光实现千焦） | 10焦耳 – 2千焦耳 | 0.1 – 50 焦耳 |
钳制行为 | 撬棒 | 适中的夹紧比 | 紧密夹紧比 |
协调取决于各级之间的阻抗解耦。增加电感或电阻可以使浪涌能量在整个链路中扩散。否则，速度最快的器件会首先触发并吸收整个事件。瞬态电压抑制器 (TVS) 会在皮秒级内钳位过冲。串联阻抗上的电压上升会在纳秒级内触发金属氧化物压敏电阻 (MOV)。极高的电流会在数百纳秒内点燃气体放电管 (GDT) 电弧，并将数十千安的电流释放到地。
夹紧行为与撬棍行为
金属氧化物压敏电阻和瞬态电压抑制钳位电路。它们将电压维持在设定的水平，并自行耗散能量。气体放电管和SIDACtor过压保护电路。它们击穿后，会锁定在低电压导通状态。
撬棒的维持电压低，因此可以承受更高的故障电流，而功率损耗却很小，所以它比钳形钳能承受更高的电流更长时间。
这种强度是有条件的。除非电路清除后续电流，否则过载保护器会一直保持锁定状态。您必须添加保险丝、PTC 热敏电阻或源阻抗来限制电流低于保持电流。验证在极端温度下的清除功能。钳位装置无需清除功能，但每次事件都会对其自身造成压力。压敏电阻 (MOV) 在反复冲击后会老化。瞬态电压抑制二极管 (TVS) 的寿命比压敏电阻长，但能承受的能量要少得多。
备用保险丝用于防止浪涌保护器短路。保险丝的额定电流应高于正常工作电流，但低于设备的故障电流。检查每个部件的故障模式。MOV 或 TVS 短路通常意味着浪涌电流超过了其额定值。漏电流升高表明设备因反复浪涌而性能下降。反复故障意味着您选择的设备功率过小。数据线上的通信错误通常源于高电容部件。远离连接器的安装位置不佳也会削弱浪涌抑制和滤波方案的效果。
选择浪涌保护装置
尺寸和钳位电压
首先要考虑反向截止电压。反向截止电压必须高于最高正常工作电压。这包括电源容差、纹波、过冲和温度变化。5V 电源轨在正常工作期间可能会达到 5.25V 或 5.5V，因此 5V 截止电压在正常使用中可能会出现漏电或导通。不要将击穿电压与截止电压混淆。低漏电是指在截止电压额定值下实现的，而不是在击穿点实现的。
参数 | 意 | 选择规则 |
|---|---|---|
反向耐压 | 在规定的低泄漏电流下，可实现最高的连续电压。 | 必须大于最大有效线路电压 |
钳位电压 | 在特定脉冲期间，器件两端的电压 | 必须低于受保护电路的安全瞬态极限 |
峰值脉冲电流 | 给定波形的最大脉冲电流 | 必须超过预期的瞬态电流 |
峰值脉冲功率 | 最大短时脉冲功率 | 必须超过降额计算的脉冲功率 |
接下来，估算浪涌电流并检查钳位电压。对于 24V 工业输入，33V 的钳位电压即可。使用 1000V 的电源、54V 的钳位电压和 42Ω 的源电阻，8/20 µs 的脉冲电流约为 22.5A。如果被保护电路能够承受 60V 的电压，那么 54V 的钳位电压仅留下 6V 的裕量，超过这个裕量就可能导致 PCB 过冲。切勿忽略钳位电压。二极管或许能够承受脉冲，但仍然会允许足够的瞬态电压通过，从而损坏被保护的 IC。
不要仅根据标称电源轨电压来选择截止电压。务必确保数据手册中的波形与预期威胁相符，并对峰值脉冲功率进行温度降额调整。
放置位置和引线长度
将浪涌保护器安装在连接器处，位于线路走向其他任何位置之前。过长的连接线会增加阻抗和感性压降。当高频瞬态电流流过时，这种阻抗会提高到达下游设备的剩余钳位电压。保护级别会下降，敏感负载将承受超过其冲击耐受额定值的电压。
保持导线短、直、直接。建议避雷器与市电或地线之间的最大导线长度为 0.5 米，通常称为“50 厘米规则”。避雷器与设备之间的电缆长度不应超过 10 米。超过此长度，应在靠近设备的位置加装第二个配套的浪涌保护器。
将浪涌保护器连接到设备端子和接地端的导线长度应尽可能缩短，并尽可能笔直地安装，尽量减少弯曲。
DFM（面向制造的设计）限制了此处的选择。小间距瞬态电压抑制器封装限制了焊盘尺寸和支架间隙。将器件放置在任何分体结构的浪涌入口侧，并保持回流路径在同一层。即使是经过认证且额定值合适的浪涌保护器，如果组装厂无法保持焊盘几何形状，仍然会失效。
浪涌保护接地设计
保护接地与信号接地
保护地和信号地功能不同。保护地承载故障电流，并使机箱保持接地电位。这样，触摸机箱的人员就能安全。信号地是电路的参考电位。它可以相对于机箱保持任意电压。在确定它们的交汇点之前，请将它们视为独立的网络。
方面 | 指引 |
|---|---|
信号地与机箱地 | 电路地线不必连接到机箱地线。在 USB 供电的设备上，GND 线连接到电路地线，屏蔽线连接到机箱地线。 |
单点键合 | 将电路电源地线仅通过一个点连接到机箱上。 |
高频键合 | 在电路的 GND 和屏蔽层之间添加一个几百 pF 的小电容器，以分流高频噪声。 |
盾牌操控 | 屏蔽层和信号回流端应分开连接。屏蔽层会阻挡磁场，除非特殊设计，否则不应承载电流。 |
噪音和循环 | 将电路参考源与屏蔽层分离，可以切断噪声路径和信号返回路径。这样可以避免接地环路、振荡和电源噪声。 |
将机箱与信号地连接在一点，然后添加一个小电容用于高频回路。这样可以确保安全连接的牢固性，并为高频噪声提供一条短路径。
单点接地、多点接地和混合接地
单点接地将所有回路连接到一个公共节点。它能限制接地回路，并在雷暴期间保持所有部件处于同一电位。但当频率高于约 10 MHz 时，长导线会像天线一样产生干扰，单点接地便失效。多点接地为接地电流提供多条路径，从而均衡电位。但它也容易导致回路形成，并产生穿过建筑钢结构的杂散电流。混合接地则结合了两者：以单点接地为主干网，辅以多点接地子系统。
对于工作频率在 1 MHz 至 30 MHz 之间的电路，采用混合接地方式。如果接地线长度小于工作信号波长的 1/20，则使用单点接地；否则，使用多点接地。
规划接地平面分割和连接时，务必考虑回流电流。信号下方的分割会迫使回流电流绕行，而该回路会产生辐射。在信号必须经过的分割处，使用电容器或窄桥进行连接。同时设计浪涌保护器和被保护设备的接地方案。浪涌保护器需要一条短而低电感的接地路径。设备需要有自己的接地参考。将浪涌保护器的接地导体连接到公共接地点，并确保该导体与信号回流导体分开。按照当地规范要求，在进户线处将相线、零线和设备接地导体连接起来。然后将浪涌抑制器接地到同一点。过长的共用接地线会提高每个阶段的瞬态电压，并破坏您建立的协调性。有效的防雷保护依赖于这个共用接地参考，而不仅仅是浪涌抑制器本身。先布置浪涌抑制器的回流，然后再在其周围布置信号接地。
PCB布局和隔离技术
爬移、间隙和开槽
爬电路径是指两个导体之间沿表面的电流路径。间隙是指空气中的直线距离。如果距离过短，瞬态电压会跨越其中任何一个导体。在高压焊盘之间开槽可以延长表面路径。焊盘之间 1 毫米宽的槽几乎可以使表面路径长度增加一倍。这大大降低了发生漏电或电弧放电的风险。2 毫米宽的槽可以在不增加电路板尺寸的情况下，使爬电路径增加几毫米。
当电路板尺寸过大，难以保持较大的爬电距离时，应使用槽口和物理屏障。一款紧凑型 800V 转换器可以通过 1mm 的槽口和良好的绝缘材料来满足其间距要求。一款 1200V 工业电机控制器（污染等级 2，IPC-2221，II 类材料）则采用槽口结合保形涂层的方式，使其能够安装在小型电路板上。应避免走线出现尖锐的转弯和边缘，因为它们会聚集电场。高压走线应远离内部层。任何带有尖锐边缘的金属图案都可能导致绝缘体上的电场增强，从而引发闪络。
共模扼流圈、Y 电容器和隔离屏障
共模扼流圈用于阻隔两条或多条电源线上的共模噪声。其反向绕组可抵消差分电流，并对共模噪声表现出高阻抗。将其放置在靠近电源输入端的位置，并与 X 和 Y 电容器以及浪涌保护电路配合使用。Y 电容器将共模噪声分流至地。X 电容器滤除火线和零线之间的差模噪声。这些元件与瞬态电压抑制二极管和其他浪涌保护器件一起，构成浪涌抑制和高频滤波器，从而防止残留的瞬态电压进入集成电路。
铁氧体电感器会饱和。高能量共模浪涌会使磁芯饱和并直接通过。除了电感器之外，还应设计独立的浪涌保护装置，切勿将电感器用作浪涌抑制器。Y 电容器的容量应根据 IEC 60384-14 标准中的额定值确定，并确认其能够承受目标峰值电压。
DFM（面向制造的设计）决定了这一切。根据制造规范，铜箔通常位于轮廓线外约 0.3–0.4 毫米处，但爬电距离会沿着边缘延伸至机箱。隔离槽不能镀层，布线需要大约 1.0–1.5 毫米的空间，因此电气路径必须避开槽口末端。隔离区内的助焊剂和焊球会造成安装污染。应将该区域视为元件、过孔、丝印和测试点的禁区。除非您明确指定并检查了涂层，否则不要在 CAD 中假设涂层就缩小爬电距离。
约束区域 | 制造业权衡 |
|---|---|
板边蠕变 | 铜质回拉线会在边缘留下一条通往机箱的路径。 |
隔离槽 | 无法进行电镀；铣削宽度迫使路径绕过槽端 |
沿屏障的通道 | 窄面罩挡板在表面将垫片缝合在一起。 |
组装残渣 | 助焊剂和焊球会造成隔离区的污染。 |
敷形涂层 | 仅在有明确规定并经过检验的情况下才能降低污染程度。 |
连接器处会涌入一股短暂的高压脉冲。它会找到芯片中最薄弱的环节并将其击穿。分级保护机制会减缓这股能量的冲击。接地和电路布局则决定着钳位保护是否有效。浪涌保护是一个完整的系统，而不仅仅是某个部件。
以下是关键要点。首先，确定浪涌环境并测试浪涌水平。通过在 MOV、GDT 和 TVS 之间增加阻抗，使它们协同工作。保持浪涌保护器的引线短而直。在布局之前规划好接地路径。遵循爬电距离、间隙和 DFM 限制的规定。将每个浪涌抑制器放置在能够将电流分流到机箱地的位置。
在下次建造之前，请对照这些建议检查您当前的浪涌抑制、接地和布局方案。
常见问题解答
为什么浪涌保护器看起来没问题，但收发器却会发生故障？
保护器可能夹紧速度过慢或距离连接器过远。过长的引线会增加感压，导致集成电路上的剩余电压超过其极限值。在断定是元件本身的问题之前，请检查引线长度和接地回路。
一个TVS二极管能否单独保护电路板？
不。TVS（瞬态电压抑制器）钳位速度快，但能承受的能量有限。雷击浪涌会超过其额定值。你需要在其前面加一个GDT（气体放电管）或MOV（金属氧化物压敏电阻）级，并在各级之间设置阻抗，以便将能量分散到整个电路中。
浪涌保护器的连接线需要多短？
与市电或地线的连接距离应保持在 0.5 米以内，并保持笔直，尽量减少弯曲。避雷器与设备之间的电缆长度应保持在 10 米以内。超过此距离，应在靠近负载的位置加装第二个协调保护器。
机箱地线和信号地线应该连接在哪里？
将它们在一点连接起来，然后添加一个几百皮法的电容用于高频回路。这样既能保持安全连接的牢固性，又能为噪声提供一条短路径，而不会形成接地回路。
