瞬時過電壓對微電子裝置的危害及防范措施.doc

瞬時過電壓對微電子裝置的危害及防范措施山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)動力部 周志敏摘要：文中闡述了瞬時過電壓的產(chǎn)生，分析瞬時過電壓對微電子裝置的危害。根據(jù)瞬時過電壓的特性，提出微電子裝置對瞬時過電壓的防范措施。關(guān)鍵詞：瞬時過電壓 危害 防范措施1 概述 微電子裝置在我國各行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，推動我國控制技術(shù)向著國際水準(zhǔn)發(fā)展，并在部分領(lǐng)域已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平，使我國控制技術(shù)進(jìn)入智能時代，使工業(yè)產(chǎn)品以高質(zhì)量、高可靠、高效益、高節(jié)能為其追求的目標(biāo)。要實現(xiàn)上述“四高”目標(biāo)，即需普遍采取三種自動化戰(zhàn)略：采用先進(jìn)的生產(chǎn)制造技術(shù)，實現(xiàn)信息管理自動化及開發(fā)市場自動化，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。自動化控制技術(shù)的進(jìn)步，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，供電網(wǎng)上的用電負(fù)荷發(fā)生了較大的變化，如在冶金行業(yè)隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，電弧爐的噸位也在不斷增大（已達(dá)150噸以上），大型初軋機(jī)組的電機(jī)單機(jī)容量的增大（已達(dá)10000KW以上）及在全國推廣交流變頻技術(shù)，由于其負(fù)荷的非線性和操作的頻繁性，將產(chǎn)生很大的電壓、電流變化率及一定的高次諧波，給電力網(wǎng)造成“污染”。由于供電回路電壓、電流瞬變產(chǎn)生的瞬變電磁場將對鄰近回路產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，而大氣雷電流的瞬變磁場也將產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，都將直接影響微電子裝置的安全可靠運(yùn)行。為此分析瞬時過電壓產(chǎn)生機(jī)理，而采取相應(yīng)的防范措施，是保證微電子裝置可靠安全運(yùn)行的有效手段。因瞬時過電壓的產(chǎn)生是隨機(jī)的，對其防范措施的制定，是集電氣工程學(xué)、電力電子技術(shù)、電磁場理論等多學(xué)科的綜合運(yùn)用，才得使其在工程應(yīng)用中取得良好的效果。2 瞬時過電壓的產(chǎn)生及危害 瞬時過電壓是回路電壓的瞬間突然升高，其幅值可達(dá)回咱額定電壓的若干倍，但其持續(xù)時間很短，常以微秒來計。它的電壓峰值極高，波形很陡，但平均功率甚小。一般引起瞬時過電壓有大氣雷電感應(yīng)過電壓和操作過電壓兩類最為常見，而這兩類感應(yīng)過電壓對微電子裝置的危害也最大，因此對這兩類感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生機(jī)理作以分析。2.1大氣雷電感應(yīng)過電壓 由于避雷針的引雷作用，所以雷擊次數(shù)就會提高，當(dāng)雷電被吸引到針上，在強(qiáng)大的雷電流沿針至引線而流入大地過程中，雷電流流經(jīng)的導(dǎo)體周圍形成的強(qiáng)大的瞬變磁場，將對鄰近的回路產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，其過電壓的幅值與雷電流的大小及變化速度成正比，與雷擊的距離成反比。2.2操作過電壓 在操作載有大電流，并具有大電感及大的儲能電容器的電路時，在能量轉(zhuǎn)換（切換）過程中，將產(chǎn)生很大的電壓及電流變化率，而產(chǎn)生的瞬變的磁場，對鄰近的回咱產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。由于真空開關(guān)本身的特性，在其操作瞬間將引起截流過電壓和三相同步開斷過電壓及重燃過電壓，其過電壓的幅值，最高時可達(dá)到額定電壓的4-5倍，并且有變化率快，時間短，隨機(jī)性大等特點(diǎn)。3 瞬間過電壓的危害 由于微電子裝置應(yīng)用于工廠生產(chǎn)過程自動化控制和智能建筑中，其硬件設(shè)備布置在生產(chǎn)區(qū)域時，檢測和執(zhí)行器件直接安裝于生產(chǎn)線上。在智能建筑中與其它用電設(shè)備的布線及電源是難以嚴(yán)格隔離的，因此不論是電流回路還是信號回路都極易感應(yīng)瞬時過電壓，因感應(yīng)瞬時過電壓造成微電子裝置的硬件損壞或數(shù)據(jù)丟失，直接影響微電子裝置的安全可靠運(yùn)行。由于瞬時過電壓幅值高、波形陡，故對微電子裝置的接口部件，電源模塊的元器件擊穿而損壞或使其絕緣破壞，即使一時未出現(xiàn)故障，也使其壽命縮短，感應(yīng)過電壓的瞬變電磁場，是通過電源線的線間電感、分布電容、公共阻抗及向空間輻射等方式，被耦鴿以微電子裝置的電源和信號回路，這些電氣干擾信號疊加在有用信號上，將使信號產(chǎn)生畸變，有時完全覆蓋了有用信號，使微電子裝置誤動或自動停機(jī)，直接影響生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)或造成生產(chǎn)事故及信息的傳輸交換，直接影響人身和設(shè)備安全。4 瞬時過電壓的防范措施 對于瞬時過電壓對微電子裝置的危害，采取濾波或在電源線路和信號線路的有關(guān)部位裝設(shè)過電壓保護(hù)器，而對微電子裝置的供電回路的設(shè)計中，應(yīng)采取相應(yīng)的防范措施，以提高裝置的供電質(zhì)量。4.1供電設(shè)計 在微電子裝供電回路設(shè)計時，應(yīng)避免同能產(chǎn)生操作過電壓的設(shè)備共用一個電源回路，同時為減少回路阻抗，應(yīng)加大電源線的截面，盡可能在縮短回路長度，并選擇三相負(fù)荷平衡的回路為其供電，其電源相線和中性線應(yīng)采用同等截面，以采用雙絞屏蔽電纜為最佳。線路的敷設(shè)應(yīng)采用電纜穿鋼管敷設(shè)方式，減少與其它電源回路同橋架內(nèi)敷設(shè)，并與避雷引下線保持一定的距離（2-3米），以減少干擾環(huán)節(jié)，提高回路的供電質(zhì)量。4.2濾波器的應(yīng)用 濾波器可以有效的抑制交流電源線上，輸入的瞬態(tài)干擾及信號線上的感應(yīng)瞬時干擾，常用的濾波器件有電感、電容、電阻及壓敏電阻等。來自工頻電源或雷電等瞬時干擾，經(jīng)電源線的傳導(dǎo)及直流電源侵入微電子裝置，這種干擾以共模和常模方式傳輸，可用電源濾波器濾除，圖1為一種簡單的交流濾波器，它以電源頻率為通頻帶的低通濾波器，由陶瓷電容器和高導(dǎo)磁率鐵氧體磁芯構(gòu)成的共扼流圈組成。電容器中間接地后可以衰減共模干擾，接地線應(yīng)大于2-5mm2，接地電阻應(yīng)小于4歐姆，整個濾波器應(yīng)具有屏蔽外殼。此種濾波器對500V-1000V，寬度幾微秒的瞬時干擾信號抑制效果極佳。在使用濾波器時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：4.2.1濾波器本身應(yīng)屏蔽，而且屏蔽外殼應(yīng)與系統(tǒng)的機(jī)殼地保持良好的電氣接觸。4.2.2為減少耦合，所有導(dǎo)線要靠近地面敷設(shè)。4.2.3濾波器的輸入輸出要進(jìn)行隔離。4.2.4濾波器的安裝位置應(yīng)盡量靠近需要濾波的設(shè)備，其間的連線應(yīng)采用屏蔽線。 目前市場上己有隔離變壓器與濾波器的成品出售，可根據(jù)系統(tǒng)的特性要求，選擇適當(dāng)容量的隔離變壓器和濾波器。4.3過電壓保護(hù)器的應(yīng)用4.3.1氧化鋅壓敏電阻 氧化鋅壓敏電阻是以氧化鋅為主體材料制成的器件，其電壓非線性系數(shù)高、容量大、殘壓低、漏電流小、無續(xù)流、伏安特性對稱、電壓范圍寬、響應(yīng)速度快、電壓溫度系數(shù)小等等特點(diǎn)。并且有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛應(yīng)用的過電壓保護(hù)器件。適應(yīng)于交流電壓浪涌吸收和各種線圈，接點(diǎn)間過電的吸收及滅弧，在電子器件過電壓保護(hù)中廣為應(yīng)用。4.3.2組合過電壓吸收器件 其由電阻、電容、二極管及穩(wěn)壓管不同的組合而成，如圖2所示，采用齊納穩(wěn)壓管或雙向二極管的較為常用，其無極性，正反向具有相同的保護(hù)特性，但器件的工作電壓至少要為聯(lián)端的工作電壓三倍。其適用于交直流回路，常應(yīng)用于自動化控制裝置的輸出回路，即繼電器線圈或電磁間線圈兩端并聯(lián)應(yīng)用。4.3.3放電管 利用充氣放電管的氣隙放電作用消除瞬時過電壓，其價格低，響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是放一次電需要持續(xù)半個周波左右，在這期間呈短路狀態(tài)，放電電壓和放電初始電壓之間差值較大，并殘留脈沖列浪涌，所以在實際應(yīng)用中最好和壓敏電阻配合作用。4.3.4半導(dǎo)體雪崩二極管 它是一種過箝壓器件，簡稱TRS，利用大面積硅園錐P-N結(jié)的雪崩效應(yīng)實現(xiàn)過箝位，TRS響應(yīng)速度極快、漏電流小，是極佳的過電壓吸收器件。5 結(jié)語 對于微電子裝置在實際應(yīng)用中，受到各種瞬