瞬态保护

瞬变(电压或电流的瞬间峰值)会破坏或损坏连接到信号或电源线的产品。瞬态能量的常见来源是闪电、静电放电和由于开关打开或短路而经历电流突然变化的电路。

瞬态保护装置试图通过利用瞬态波形和预期信号或功率波形之间的差异来重新定向这些瞬态中的能量。最常见的暂态保护方案限制所保护电路上的电压幅值、电流幅值或转换时间。

电压限制的设备

图1说明了如何使用限压瞬态保护装置来保护安装在印刷电路板上的VLSI组件的输入端。在正常信号或电源电压下，该器件具有高阻抗，对电路的运行没有显著影响。然而，如果器件上的电压超过阈值，其两端的阻抗就会突然降低，使电流从被保护器件上转移出去。

图1。印刷电路板上的限压瞬态保护。

二极管

二极管可能是低压应用中最常见的保护装置。一个无偏二极管通常有一个高阻抗时，通过其端子的电位低于约0.5伏。电压越高，阻抗下降越快。二极管可以串联组合以达到更高的阈值电压，也可以使用反向偏置齐纳二极管。一般来说，二极管用于要求阈值电压从0.5到几伏的任何地方的应用。

二极管是电压限制器件，这意味着它们传导的电流刚好足以将电压维持在阈值水平。它们的反应速度相对较快，足以保护敏感的半导体输入。然而，二极管在失效前通常不能消耗大量能量。一个失败的二极管可能看起来像一个开路或短路，但更有可能失败短路。

压敏电阻

压敏电阻器是另一种电压限制装置，通常由金属氧化物粉末制成。压敏电阻可以设计为阈值电压从0.5伏到10s伏。它们通常能够消耗比二极管更多的能量，但它们也可能有更多的寄生电容，这可能使它们不适合高速信号应用。像二极管一样，它们更有可能短路而不是打开。

晶体闸流管

晶闸管是类似二极管的半导体器件。然而，它们通常能够消耗比二极管更多的能量，并且可以发现它们具有各种阈值电压。与二极管和压敏电阻不同，晶闸管是撬棍器件，这意味着当它们的阈值电压超过时，它们有效地“短路”，并且它们之间的电压降至接近零。

气体放电装置

早期家庭电话设备的防雷装置由两个尖尖的金属组成。当这些金属片之间的电压超过阈值时，金属片之间的空气就会击穿形成电弧。对于大电压，这仍然是一种有效的瞬态保护方案，但今天的设备被封闭在玻璃或塑料管中，管内充满了比空气更容易发生故障的气体。

气体放电管能够在不损坏的情况下耗散相对较大的能量。它们还具有相对较低的电容，因此不太可能扭曲快速或高频信号。它们通常被设计为阈值电压从10s到100s伏，并且是像晶闸管这样的撬棍设备。

气体放电管很可能无法打开，很难判断它们是否正常工作。然而，一个失败的放电管不会干扰它所连接的设备的正常运行。霓虹灯的行为就像气体放电管，可以是一种廉价的方式提供初级瞬态保护(阈值~70伏)的许多应用。

限流装置

熔断器、断路器和热保护装置等设备是由电流而不是电压触发的。这些设备与通向被保护设备的电源或信号线串联放置。它们通常具有非常低的阻抗，但当有太多电流流过它们时，它们就会打开(变成高阻抗)。一旦它们被触发，限流装置就会阻止电力到达被保护的设备，而不必将电力作为热量散热。因此，它们所能处理的能量(或功率)几乎没有限制。然而，限流器件通常反应不够快，无法保护设备免受闪电或静电放电产生的快速瞬变。

过渡时间限制装置

电压和电流限制装置需要有限的时间来响应。如果瞬态快，在保护装置有机会工作之前，就可能发生损坏。通常，最好的瞬态保护是一个简单的电容器或铁氧体珠，旨在减缓由于感应瞬态而引起的电压或电流的任何变化。

图2说明了在VLSI组件的敏感输入端上的电容如何减缓与任何瞬态相关的上升时间。通常，集成电路输入会响应非常快的瞬态，即使这不是设备正常运行所必需的。例如，微处理器上的复位输入通常不会频繁地切换。当它被切换时，切换发生在微秒还是毫秒通常并不重要。然而，这些输入通常对纳秒级的瞬变响应。通过增加一个并联电容器来减缓这些输入，可以消除由于非常快的瞬态(例如导致ESD的瞬态)而产生的问题，而不会对设备的运行产生任何不利影响。

图2。使用滤波电容器来减缓快速输入的响应。

电容器与其他瞬态保护装置相比有几个优点。它们相对较小，价格低廉，而且它们的线性行为相对容易预测和建模。与它们所保护的设备相比，它们具有相对较大的能量存储容量，因此如果尺寸适当，它们不太可能发生故障。虽然电容器在暴露于高于额定值的电压时通常表现得像短路，但它们在这些条件下的行为是不可靠的;因此，不应使用电容器作为限压瞬态保护装置。

铁氧体磁珠或电阻可用于为低阻抗(例如高电容)输入提供过渡时间限制的瞬态保护。铁氧体珠的优点是没有直流电压下降。然而，当使用铁氧体磁珠时，重要的是要确保信号或电源电流不使铁氧体材料饱和。