一台收發器從現場送回，線路驅動器所在的位置出現了一個洞。客戶說附近遭雷擊，但並非直接擊中。你單獨測試了集成電路，它通過了所有測試。真正的原因在其他地方：突波保護器的箝位速度太慢，引線過長，而且接地迴路的設計有缺陷。裝置本身沒有問題，問題出在系統上。
作為設計人員，突波抑制和接地是您的責任，而不是積體電路供應商的責任。忽略它們會導致頻繁的返修、反覆的現場故障以及安全隱患。那麼，根據IEC 61000-4-5標準，瞬態電壓是如何對節點施加應力的？為什麼保護級必須協同工作？突波保護裝置應該安裝在哪裡？接地和佈局如何決定防雷/突波保護是否有效？
關鍵要點
首先要弄清楚你的用電高峰環境，並測試對應的波動程度。這將指導你之後所做的每一個決定。
讓各保護級協同工作。在它們之間增加阻抗，使它們分擔突波能量。
保持突波保護器的電線短而直。電線過長會導致額外的電壓更高。
在鋪設電路板之前，先規劃好接地路徑。短而低電感的接地路徑能確保保護功能正常運作。
遵循爬電距離、間隙和設計防火措施（DFM）規則。這些規則可以防止瞬態電流跨越間隙。
董事會層面的激增威脅
IEC 61000-4-5 測試等級
IEC 61000-4-5 標準規定了您設計時應遵循的突波波形。組合波發生器是最常用的突波源。它輸出 1.2/50 µs 的開路電壓和 8/20 µs 的短路電流，因此工程師稱之為「1.2/50-8/20 µs」突波。其有效輸出阻抗為 2 Ω，即峰值開路電壓與峰值短路電流之比。而室外通訊設備則需要使用能量較高的突波發生器，其輸出的電壓波為 10/700 µs，電流波為 5/320 µs。
波形集 | 電壓波形 | 電流波形 | 典型應用 |
|---|---|---|---|
組合波 | 1.2 微秒/50 微秒 | 8 微秒/20 微秒 | 大多數應用程式 |
高能量發電機 | 10 微秒/700 微秒 | 5 微秒/320 微秒 | 戶外電信網絡 |
前沿時間和持續時間是虛擬參數，並非簡單的上升時間。對於開路電壓，前緣時間等於 30%–90% 上升時間的 1.67 倍。在選擇元件之前，請將您的產品標準與測試等級進行配對。發生器阻抗表示給定電壓會注入電路板多少電流。
突波如何對半導體結造成應力
雷擊或開關突波會透過兩種方式到達電路板。共模瞬態電壓會推動電流流經介面電纜並最終透過接地線返回。差模瞬態電壓則出現在訊號線對上。兩者都會以電湧和尖峰的形式耦合到電路板走線上，並且都會首先衝擊最薄弱的節點。
半導體接點最先失效，因為它們會將電流集中在一個極小的空間內。瞬態電壓一旦超過反向擊穿區，就會將能量集中到一個很小的矽片區域。隨後局部過熱，導致結短路。這就是為什麼連接器上的突波保護器比強大的積體電路更重要的原因。突波保護器必須在能量到達晶片之前將其分流。
首先確定您的突波環境和測試等級。從突波保護階段到佈局設計，後續的每一個選擇都取決於這個數值。
分級突波抑制架構
單一設備無法承受雷擊突波並同時牢固夾緊積體電路。你需要一個分級保護系統。每一級都能處理其擅長的能量，各級之間分擔壓力。
協調金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)、氣體放電管 (GDT) 和瞬態電壓源 (TVS) 二極體
三級模型在進線端設定氣體放電管 (GDT)，中間層設定金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)，在被保護電路附近設定瞬態電壓抑制二極體 (TVS)。進線端突波保護級用於分流大電流。中間層吸收通過的電流。末級箝位積體電路接腳上的殘餘電壓。
參數 | GDT | MOV的 | TVS二極管 |
|---|---|---|---|
響應速度 | 100奈秒 – 1微秒 | 1 – 25 奈秒 | 亞納秒 |
突波電流處理 | 5 – 100 千安 | 500 安培 – 40 千安培 | 10 – 500 安 |
能量吸收 | 高（透過弧光實現千焦） | 10焦耳 – 2千焦耳 | 0.1 – 50 焦耳 |
箝制行為 | 撬棍 | 適中的夾緊比 | 緊密夾緊比 |
協調取決於各級之間的阻抗解耦。增加電感或電阻可以使突波能量在整個連結中擴散。否則，速度最快的裝置會先觸發並吸收整個事件。瞬態電壓抑制器 (TVS) 會在皮秒級內箝位過衝。串聯阻抗上的電壓上升會在奈秒內觸發金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)。極高的電流會在數百奈秒內點燃氣體放電管 (GDT) 電弧，並將數十千安培的電流釋放到地。
夾緊行為與撬棍行為
金屬氧化物壓敏電阻和瞬態電壓抑制箝位電路。它們將電壓維持在設定的水平，並自行耗散能量。氣體放電管和SIDACtor過壓保護電路。它們擊穿後，會鎖定在低電壓導通狀態。
撬棒的維持電壓低，因此可以承受更高的故障電流，而功率損耗卻很小，所以它比鉗形鉗能承受更高的電流更長時間。
這種強度是有條件的。除非電路清除後續電流，否則過載保護器會一直保持鎖定狀態。您必須添加保險絲、PTC 熱敏電阻或源阻抗來限制電流低於保持電流。驗證在極端溫度下的清除功能。箝位裝置無需清除功能，但每次事件都會對其本身造成壓力。壓敏電阻 (MOV) 在反覆衝擊後會老化。瞬態電壓抑制二極體 (TVS) 的壽命比壓敏電阻長，但能承受的能量少得多。
備用保險絲用於防止突波保護器短路。保險絲的額定電流應高於正常工作電流，但低於設備的故障電流。檢查每個部件的故障模式。 MOV 或 TVS 短路通常意味著突波電流超過了其額定值。漏電流升高表示設備因反覆突波而性能下降。反覆故障意味著您選擇的設備功率過小。數據線上的通訊錯誤通常源自於高電容部件。遠離連接器的安裝位置不佳也會削弱突波抑制和濾波方案的效果。
選擇突波保護裝置
尺寸和箝位電壓
首先要考慮反向截止電壓。反向截止電壓必須高於最高正常工作電壓。這包括電源容差、漣波、過衝和溫度變化。 5V 電源軌在正常工作期間可能會達到 5.25V 或 5.5V，因此 5V 截止電壓在正常使用中可能會出現漏電或導通。請勿將擊穿電壓與截止電壓混淆。低漏電是指在截止電壓額定值下實現的，而不是在擊穿點實現的。
參數 | 意思 | 選擇規則 |
|---|---|---|
反向耐壓 | 在規定的低洩漏電流下，可實現最高的連續電壓。 | 必須大於最大有效線路電壓 |
箝位電壓 | 在特定脈衝期間，元件兩端的電壓 | 必須低於受保護電路的安全瞬態極限 |
峰值脈衝電流 | 給定波形的最大脈衝電流 | 必須超過預期的瞬態電流 |
峰值脈衝功率 | 最大短時脈衝功率 | 必須超過降額計算的脈衝功率 |
接下來，估算突波電流並檢查箝位電壓。對於 24V 工業輸入，33V 的箝位電壓即可。使用 1000V 的電源、54V 的箝位電壓和 42Ω 的源電阻，8/20 µs 的脈衝電流約為 22.5A。如果被保護電路能夠承受 60V 的電壓，那麼 54V 的箝位電壓只留下 6V 的裕量，超過這個裕量就可能導致 PCB 過衝。切勿忽略箝位電壓。二極體或許能夠承受脈衝，但仍會允許足夠的瞬態電壓通過，從而損壞被保護的 IC。
不要僅根據標稱電源軌電壓來選擇截止電壓。務必確保資料手冊中的波形與預期威脅相符，並對峰值脈衝功率進行溫度降額調整。
放置位置和引線長度
將突波保護器安裝在連接器處，位於線路走向其他任何位置之前。過長的連接線會增加阻抗和感性壓降。當高頻瞬態電流流過時，這種阻抗會提高到達下游設備的剩餘箝位電壓。保護等級會下降，敏感負載將承受超過其衝擊耐受額定值的電壓。
保持導線短、直、直接。建議避雷器與市電或接地線之間的最大導線長度為 0.5 米，通常稱為「50 公分規則」。避雷器與設備之間的電纜長度不得超過 10 公尺。超過此長度，應在靠近設備的位置加裝第二個配套的突波保護器。
將突波保護器連接到設備端子和接地端的導線長度應盡可能縮短，並儘可能筆直地安裝，盡量減少彎曲。
DFM（面向製造的設計）限制了此處的選擇。小間距瞬態電壓抑制器封裝限制了焊盤尺寸和支架間隙。將裝置放置在任何分離結構的浪湧入口側，並保持回流路徑在同一層。即使是經過認證且額定值合適的突波保護器，如果組裝廠無法保持焊盤幾何形狀，仍然會失效。
突波保護接地設計
保護接地與訊號接地
保護地和訊號地功能不同。保護地承載故障電流，並使機殼保持接地電位。這樣，觸摸機殼的人員就能安全。訊號地是電路的參考電位。它可以相對於機箱保持任意電壓。在確定它們的交匯點之前，請將它們視為獨立的網路。
方面 | 指導 |
|---|---|
訊號地與機殼地 | 電路接地線不必連接到機箱接地線。在 USB 供電的裝置上，GND 線連接到電路接地線，屏蔽線連接到機箱接地線。 |
單點鍵合 | 將電路電源接地線僅透過一個點連接到機箱上。 |
高頻鍵合 | 在電路的 GND 和屏蔽層之間添加一個數百 pF 的小電容器，以分流高頻雜訊。 |
盾牌操控 | 屏蔽層和訊號回流端應分開連接。屏蔽層會阻擋磁場，除非特殊設計，否則不應承載電流。 |
噪音和循環 | 將電路參考源與屏蔽層分離，可隔離雜訊路徑和訊號返迴路徑。這樣可以避免接地迴路、振盪和電源雜訊。 |
將機箱與訊號地連接在一點，然後添加一個小電容用於高頻迴路。這樣可以確保安全連接的牢固性，並為高頻雜訊提供一條短路徑。
單點接地、多點接地和混合接地
單點接地將所有迴路連接到一個公共節點。它能限制接地迴路，並在雷暴期間保持所有部件處於同一電位。但當頻率高於約 10 MHz 時，長導線會像天線一樣產生幹擾，單點接地便會失效。多點接地為接地電流提供多條路徑，從而均衡電位。但它也容易導致迴路形成，並產生穿過建築鋼結構的雜散電流。混合接地則結合了兩者：以單點接地為主幹網，輔以多點接地子系統。
對於工作頻率在 1 MHz 至 30 MHz 之間的電路，則採用混合接地方式。如果接地線長度小於工作訊號波長的 1/20，則使用單點接地；否則，使用多點接地。
規劃接地平面分割和連接時，請務必考慮回流電流。訊號下方的分割會迫使回流電流繞行，而此迴路會產生輻射。在訊號必須經過的分割處，使用電容器或窄橋進行連接。同時設計突波保護器和被保護設備的接地方案。突波保護器需要一條短而低電感的接地路徑。設備需要有自己的接地參考。將突波保護器的接地導體連接到公共接地點，並確保該導體與訊號回流導體分開。依照當地規範要求，在進戶線處將相線、零線和設備接地導體連接起來。然後將突波抑制器接地到同一點。過長的共用接地線會提高每個階段的瞬態電壓，並破壞您建立的協調性。有效的防雷保護依賴於這個共用接地參考，而不僅僅是突波抑制器本身。先佈置突波抑制器的回流，然後再在其周圍佈置訊號接地。
PCB佈局和隔離技術
爬移、間隙和開槽
爬電路徑是指兩個導體之間沿著表面的電流路徑。間隙是指空氣中的直線距離。如果距離過短，瞬態電壓會跨越其中任何一個導體。在高壓焊盤之間開槽可以延長表面路徑。焊盤之間 1 毫米寬的槽幾乎可以使表面路徑長度增加一倍。這大大降低了發生漏電或電弧放電的風險。 2 毫米寬的槽可以在不增加電路板尺寸的情況下，使爬電路徑增加幾毫米。
當電路板尺寸過大，難以保持較大的爬電距離時，應使用槽口和物理屏障。一款緊湊型 800V 轉換器可以透過 1mm 的槽口和良好的絕緣材料來滿足其間距要求。一款 1200V 工業馬達控制器（污染等級 2，IPC-2221，II 類材料）則採用槽口結合保形塗層的方式，使其能夠安裝在小型電路板上。應避免走線出現尖銳的轉彎和邊緣，因為它們會聚集電場。高壓走線應遠離內部層。任何帶有尖銳邊緣的金屬圖案都可能導致絕緣體上的電場增強，從而引發閃絡。
共模扼流圈、Y 電容器和隔離屏障
共模扼流圈用於阻隔兩條或多條電源線上的共模雜訊。其反向繞組可抵消差分電流，並對共模雜訊表現出高阻抗。將其放置在靠近電源輸入端的位置，並與 X 和 Y 電容器以及突波保護電路搭配使用。 Y 電容器將共模雜訊分流至地。 X 電容器濾除火線和零線之間的差模雜訊。這些元件與瞬態電壓抑制二極體和其他突波保護元件一起，構成突波抑制和高頻濾波器，從而防止殘留的瞬態電壓進入積體電路。
鐵氧體電感器會飽和。高能量共模突波會使磁芯飽和並直接通過。除了電感器之外，還應設計獨立的突波保護裝置，切勿將電感器用作突波抑制器。 Y 電容器的容量應根據 IEC 60384-14 標準中的額定值確定，並確認其能夠承受目標峰值電壓。
DFM（面向製造的設計）決定了這一切。根據製造規範，銅箔通常位於輪廓線外約 0.3–0.4 毫米處，但爬電距離會沿著邊緣延伸至機殼。隔離槽不能鍍層，佈線需要大約 1.0–1.5 毫米的空間，因此電氣路徑必須避開槽口末端。隔離區內的助焊劑和焊球會造成安裝污染。應將該區域視為元件、過孔、絲網印刷和測試點的禁區。除非您明確指定並檢查了塗層，否則不要在 CAD 中假設塗層就縮小爬電距離。
約束區域 | 製造業權衡 |
|---|---|
板邊蠕變 | 銅質迴拉線會在邊緣留下一條通往機殼的路徑。 |
隔離槽 | 無法進行電鍍；銑削寬度迫使路徑繞過槽端 |
沿著屏障的通道 | 窄面罩擋板在表面將墊片縫合在一起。 |
組裝殘渣 | 助焊劑和焊球會造成隔離區的污染。 |
敷形塗層 | 只有在有明確規定並經過檢驗的情況下才能降低污染程度。 |
連接器處會湧入一股短暫的高壓脈衝。它會找到晶片中最薄弱的環節並將其擊穿。分級保護機制會減緩這股能量的衝擊。接地和電路佈局則決定著箝位保護是否有效。突波保護是一個完整的系統，而不僅僅是某個部件。
以下是關鍵要點。首先，確定突波環境並測試突波水平。透過在 MOV、GDT 和 TVS 之間增加阻抗，使它們協同工作。保持突波保護器的引線短而直。在佈局之前規劃好接地路徑。遵循爬電距離、間隙和 DFM 限制的規定。將每個突波抑制器放置在能夠將電流分流到機殼接地的位置。
在下次建造之前，請對照這些建議檢查您當前的突波抑制、接地和佈局方案。
常見問題
為什麼突波保護器看起來沒問題，但收發器卻會故障？
保護器可能夾緊速度過慢或距離連接器太遠。過長的引線會增加感壓，導致積體電路上的剩餘電壓超過其極限值。在斷定是元件本身的問題之前，請檢查引線長度和接地迴路。
一個TVS二極體能否單獨保護電路板？
不。 TVS（瞬態電壓抑制器）箝位速度快，但能承受的能量有限。雷擊突波會超過其額定值。你需要在其前面加一個GDT（氣體放電管）或MOV（金屬氧化物壓敏電阻）級，並在各級之間設置阻抗，以便將能量分散到整個電路中。
突波保護器的連接線需要多短？
與市電或接地線的連接距離應保持在 0.5 公尺以內，並保持筆直，盡量減少彎曲。避雷器與設備之間的電纜長度應保持在 10 公尺以內。超過此距離，應在靠近負載的位置加裝第二個協調保護器。
機箱接地線和訊號接地線應該連接在哪裡？
將它們在一點連接起來，然後添加一個幾百皮法的電容用於高頻迴路。這樣既能保持安全連接的牢固性，又能為雜訊提供一條短路徑，而不會形成接地迴路。
