3.5 Компоненты для защиты от повышенных напряжений

Защита электронных устройств и применяемые для этой цели компоненты включают в себя несколько функций и требований:

• предотвращать или минимизировать возможные повреждения от факторов, подлежащих защите;
• обеспечивать возврат защищаемого устройства в нормальное рабочее состояние с минимальным ухудшением его функционирования;
• не создавать помех в нормальных условиях функционирования устройств при отсутствии стрессов, что особенно критично для высокоскоростных устройств с цифровой технологией;
• в равной степени важно, чтобы выход из строя компонента защиты в процессе стресса перенапряжения не создавал опасных последствий в виде воспламенения или пожара;
• оборудование и средства его защиты должны соответствовать требо ваниям международных стандартов.

Повышенным напряжением или перенапряжением является уровень прикладываемого к схеме/изделию напряжения, превышающего значение, предписываемое стандартом или спецификацией изделия, что может привести к нарушению его работоспособности, а нередко и к более серьезным последствиям.

Кратковременные выбросы напряжения (Transient Voltages) чаще всего связаны с импульсными помехами со временем нарастания фронта в несколько микросекунд. Основными причинами их возникновения являются:

• электростатический разряд;
• переходные процессы при переключении нагрузок;
• неисправное оборудование;
• удары молний, возникающие при грозах.

Основным принципом защиты от перенапряжений является подавление импульсной помехи длительностью единиц микросекунд. Для этого необходимо, чтобы защитное устройство/компонент имело время реакции меньше длительности импульса перенапряжения, поглощало его энергию в количестве, достаточном для устранения его воздействия на защищаемую схему или изделие, и создавало остаточное напряжение, близкое к номинальному значению напряжения защищаемой цепи. Они должны также по мере прекращения импульса восстанавливаться и возвращаться к нормальному функционированию, будучи готовыми к защите от будущего стресса.

Для защиты от ESD и всевозможных повышенных напряжений используются компоненты, имеющие в соответствии с международным стандартом UL1449 название SPDs (Surge Protection Devices) и принадлежащие трем наиболее распространенным технологиям:

1. Диоды TVS (Transient Voltage Suppressor).
2. Варисторы (MOV — Metal Oxide Varistors и MLV — MultiLayer Varistors).
3. Газоразрядные трубки (GDT — Gas Discharge Tubes).

Все указанные компоненты подключаются параллельно к схеме, подлежащей их защите, и они обладают высоким импедансом, когда находятся при нормальном функционировании схемы (изделия). При возникновении неисправности или воздействии повышенных напряжений от внешних факторов защита обеспечивается блокировкой напряжений на уровне, предотвращающем возможные повреждения защищаемой схемы и ее наиболее чувствительных элементов.

Как правило, трудной задачей для разработчиков является оптимальный выбор компонента, обеспечивающего наиболее эффективную защиту. Особое внимание необходимо уделять тщательному ознакомлению с основными параметрами в спецификациях различных компонентов и особенно правильному сравнению между ними. Так, если один компонент выдерживает 8 кВ, а другой — 15 кВ, это лишь означает, что последний выдержит более сильный разряд, а не то, что он обеспечит более надежную защиту изделия. Во многих случаях компонент 8 кВ по сравнению с компонентом, выдерживающим 15 кВ, может обеспечить лучшую защиту благодаря другим важным параметрам, среди которых уровень блокировочного напряжения, величина остаточного тока, поступающего в защищаемую схему при шунтировании электростатического заряда на заземление, а также емкость компонента, выбранного для защиты.

Низкая емкость компонента защиты особенно важна для высокочастотных линий с целью сохранности сигналов без серьезных искажений (signal integrity). Наиболее распространенные компоненты, шунтирующие энергию ESD при защите интегральных схем, имеют умеренные емкости от 10 до 100 пФ, но высокоскоростные линии передачи информации требуют защиту компонентами с добавочной емкостью в линии не более чем 1–2 пФ.