陶老师ESD、EMI、EMC讲座（3）——防雷设计
下面我们讲雷电防护。雷电防护对于发电机那边来说已经是很成熟了，整天打雷发电厂都没有瘫痪，为什么能够做得这么好？就是把发电机的中线接地，与大地相连接，以后跟外面输送电，上面的高压电塔上一般都拉有一根线或两根线，就是避雷线，避雷线与中线不同，中线单独接地，地线是单独给避雷用的，不电的，这叫三相四线制供电。现在美国推出一个标准是三相五线制，就是中线接地，用电这边也要另外接地，接地不与那边相连，叫做三相五线制，一般中线是不接的，到了变压器这边以后，这里也有一个中线，中线也接地，还有变压器的外壳也接地，这边有个中线，也接地，三个地最好都不要接在一起，越分开越好，这边的中线是一个小线路，当成供电线路，对变压器有保护，对使用设备不保护，名义上是接地的，但那边实际上没有接地。接地的概念是这样，任何一个导线，当你充放电很快的时候电磁波传播的速度是有限的，比如说电磁波在空气里面传是30万公里/秒，在导体里面传播没有这么快，一般只有空气中的1/3或1/2左右，少了之后灵敏度没有这么高，当放电在每秒计的时候，放电的时候经过多少秒钟才到这里？当电流传到这边来，那边早就烧掉了。所以在快速充放电里面不要随便把某一点接地，某一点与另外一点看成同样的功能，因为有一个时间差的问题。你认为它在这里接地是对直流可以，对交流也行，因为是排队走，没有轮到你，接地也没有用。
雷电的原理就是这样，这一块是带电的，降到这两根线上面去。对地球来说相当于一个分布电容，雷电就是一个共模信号，相当于对整个电容进行放电。放电有几个回路，上面的电流通过电容到达地，电流通过电容到大地，这是共模电容。这部分电流也通过电容下地，还有一部分通过变压器分布电容传到负载这边，然后通过分布电容下地。你可以认为这个电容是大地的分布电容，实际上不跟大地它本身也是分布电容，任何一个导体只要电位改变就相当于一个电容，比如说你的身体带电，另外一个不带电，两个人握手就会把电荷传到另外一个人身上，相当于你这个电容对另外一个电容放电，另外一个相对来说是充电，是一个充放电的过程。
123456下一页> 关键字：陶老师 ESD EM EMC 防雷设计 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80007279 除了共模电流以外，还有一个差模电流，为什么？两个回路都放电的时候，放电的时间、强度不一样，有的放快一点，有的放慢一点，如果两个东西的速度都一样，任何电位差都是一样的就不会产生差模电流了。但是有时候有一些是中线接地，放电快一些，相对来说电压跌得特别快，另外一个跌得特别慢，就会产生差模，首先是共模，然后产生差模。
下面讲一下共模电压对电路的损害。其实共模电压对开关电容前面的影响不是很大，最大是后面一点，通过电压器分布电路，以前的模式电路电压用得很低，都是1v-5v左右，纳米级容易击穿，电容也相当小。从里面串进去的电压经过滤波不断的吸收降下来，一般有上千伏，容易把后面的击穿。在实践过程中为了防雷，这几个位置最好在上面布一个雷点电容，对防雷电击穿很有效。共模电压进去以后瞬间击穿，如果电子没断开，外面的电流会继续延续下去把它烧掉，如果备一个电容上去，共模电容通过电容一下子把它吸收掉，让几个电容互相通电位，几个模组不会那么容易击穿。
现在很多防雷都是用压敏电阻或放电器件，我在这里告诉你，最有效的是在排版的时候，在电源线那个地方排出一个放电装置，这样既经济又实用，放电管没有那么大的功率吸收掉雷电的能量，如果排一个像锯齿一样的放电装置，只要能量不大基本上都能够吸收。发电距离一般是6mm，现在规定低于6mm就不合格，因为测试的时候，打火的时候耐压2000v，交流2000v，其实正常放电是10000v/mm，也就是说1000v/cm，要留一定的安全系数，所以不测你，不到6mm就算不合格，所以一定要6mm，真正打雷进来，经过放电，电压输入进来只有6000v。前面输入电压是几十万伏都没有关系，一放电它就在6000v的范围里面，进来只有6000v了，其他都放掉。放掉以后吸收才有效，最有效的里面有一个限流电感，还有共模电流，对雷电有效。差模会通过差模电容来吸收，放电是一样的，有一个差模，可以用电容吸收。电容上面标的是耐压交流250v，实际测的直流耐压是8000v以上，大家要注意一下。这个CX标的是250v，买的浪涌电压都在5000v以上，用5000v电压都打不穿，但是标的是250v，这是安全规定。
<上一页123456下一页> 关键字：陶老师 ESD EM EMC 防雷设计 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80007279?page=2 刚才在休息的时候与大家交流，大家真的很感兴趣，热情也相当高，我也希望大家通过这个机会互相认识，多多交流，特别是这些经验之谈在书上是很难找到的。如果还要有更深的研究，我建议你有机会去欧洲最大的物理研究所，现在研究的课题与此相关，就是电磁层理论，现在空间物理也好，电磁层理论是最难解决的问题，现在有四个力，如果能够把四个力统一起来，宇宙空间的问题基本上都可以解答。一个是重力，原来无法解释重力如何产生，就有重力层。还有电场力，无法解释这个怎么产生，就有电场力，还有磁场力、合力，如果四个力统一在一起就可以解决。在书上介绍电磁层，一点点东西都全部解决了，包括量纲都没有统一，大家都在争论，电场强度和磁场强度的量纲都没有解决。按照电场的强度，原来牛顿用力表示，这个东西与现在电工学不搭架了。特别是电流强度通过两根导线多少，直径多大、电流多大来量力，这种磁场强度对我们使用有多大关系？当初定下来又不好推翻，现在慢慢引进了磁感应强度，把磁场强度屏蔽掉了，在电压计算里大家都知道磁感应力度，还有电场强度慢慢也屏蔽掉了，就是用电位梯度。
下面我们讲一些具体的。这是一个开关电源，开关电源被雷劈的时候，输入回路基本上都烧了，假如没烧是什么样的？可以看看，这是桥堆，这两个是Y电容，这里面还有一个压敏电阻。这是共模线圈，雷劈以后全部烧了，说明压敏电阻没有起到什么保护作用，两个电容都烧了，说明电感相当、相当地高。为了防止雷电，首先前面一定要加一个能量吸收，比较大的东西，成本相对来说比较低，像试验站里面的放电装置，那个东西没有地方装，也贵得很。在硬纸板上面排几个锯齿，中间隔一个头就行了。如果中间隔6mm也可以。有一个一级电感，电感可以使瞬间上去很快的电压降下来，突然加一个1万伏、10万伏，加上去只有这两端，另外两端建立不起来，所以刚加进去的时候对雷电来说，大部分能量都被吸收掉了。后面经过这个以后，剩余部分通过共膜电容继续吸收，吸收完以后还有差模部分，产生的差模部分通过电容把差模吸收掉。共模电容和差模电容具有抑制传导干扰的作用，对雷电也有抑制作用，所以很多人也在问，电容接到前面好还是接在后面好？这个东西看你有什么作用，如果只是为了防EMI电磁干扰的话，接在越前面越好，接在测试仪表的输入端最好，接到那里把信号全部短路掉了，就看不到了。但是对于雷电，你接到后面要好很多，所以这主要是防雷的，你就不要考虑电磁干扰和EMC了，尽量把两个放在后面。
另外一个是接地，这个特别重要，不能接到最输入端的地方，应该接在后面，一打雷造成很大的回路，把里面的东西烧坏、击穿，这个放电回路是越小越好，这个宽大一点，放电电流都在30个安培以上，如果听到雷声的放电都是上万安培，如果没有雷声只是把东西击穿都有几万安培。这样相对来说电容不是很大，都是几百安培或几十安培，尽量把地线、面积加大，而且最好接在机壳上，如果放在机壳上，雷击一击，上面带的电与前面起来就聚集起来，所有的都是挡电位，一有挡电位以后里面不存在充放电的问题了。大家知道吧？一个封闭的金属里头，不管外面带多高的电压，中间都是不带电的。一根导线不管通多少安培的电流，中间的电压、电流也是等于零的。电流分布都是在表面，大家可以做一个试验，做一个金属球，在外面充电，看看中间有没有电压，应该没有。一般都是这样做的，先把一个东西屏蔽起来，或者接大地，不接也没有关系，里面不带电的，或者是空的都可以测试出有电压。因为电场通过互相抵消，这个球外面带电，大家都是静电，磁力线都是互相抵消的，电力线互相抵消，中间的电场强度等于零，所以就不带电。<上一页123456下一页> 关键字：陶老师 ESD EM EMC 防雷设计 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80007279?page=3
对于一些比较贵重的仪器、设备，在开关电容电压器这里最好做静电比例，在初次级线圈中间做一个铝箔片都可以，包一层，这层不能短路，短路的话变压器就会烧掉，包在外面可以短路，包在里面不能短路，包在外面吸收漏电电感，包在里面的主回路里面会短路，然后把它进行接地，这相当于可以隔离掉。这个有一个教训，前段时间康佳台湾装LCD屏测试，打了一个隔离变压器，后面就是接测试仪表，每个月都有一台、两台测试仪表损坏，查不出原因，最后让他们把隔离变压器的中间屏蔽才好。屏蔽以后，进一步有机会的话，在接头有连接的地方加一个磁环，让共模电压将磁环速度放慢，缓冲一下，让瞬间能量降低，瞬间能量缓慢一点，慢慢的过，损伤就会少很多。所有电路都可以把它看成一个分布电流，只要某地方电压电位在改变，对后面都会产生充放电，从这上面理解就知道了，如果哪个地方构成回路，如果有一个高电压进来一直传导到后面，最后充电，充电可以理解成分布电容，如果没有这个也有一个分布电容在里面，把分布电容放在这里，就比较形象地。就像以前的绝缘长效滤管一样，手一摸没有造成回路也坏掉了，绝缘的滤管很容易坏，一从里面拿出来，手一摸就坏掉，一个身上面带正电，或者你作为天线有感应电压，感应一下来回充放电就坏掉了。
对于滤波电容，大家注意前面的EMC滤波，这个电容不是理想电容，里面有一个电感，还有漏电电阻，里面有串联电阻，电感和电容有没有产生串联谐振？曲线是这样一条斜线，串联谐振相当于把信号短路掉了，信号短路的阻碍很大，这里面有一个最佳值，然后成为感线，进行EMC电路设计的时候最好用不同的电容进行配模，这是0.4的曲线，33nF并联就可以保证在上面不是好的，单独一个电容后面覆盖不到，以后有机会我讲这些元器件，你们在大学里面学的是符号，对电阻电容基本是不懂的，还有电组电容这方面的问题最多，还有电容，电容来回极化的时候，速度跟不上外面的变化，会损耗相当大，会烧坏，特别是脉压电容，很多人认为体积越小越好，但没有考虑在开关上容易出现问题。
<上一页123456下一页> 关键字：陶老师 ESD EM EMC 防雷设计 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80007279?page=4 这是网友提出的一些问题，我放在这里。大家讨论一下：
1、防雷是否一定要接地？对于感应雷而言，局部等电位连接是否可以取代接地，设备能否得到足够的保护？
大家想想看，跟前面我们所说的，感应雷这个东西没有一个标准的概念说什么叫做感应雷。只要打雷的话，外面打雷，窗户上面的金属，如果夜间都可以看到放电产生火花，这就是通过电磁感应产生的位移电流原理。从原理上来说，三相四线或三相五线，发电机有中线接地，设备使用者的外壳接地是最有效的避雷方法，但现在很多设备都不接地，没有办法接，只有很贵重的进口设备用三相电源，中间那一条地线，地线不是中线，大家要搞清楚。中线虽然是接地的，但在这里不能当成地线，地线一定是自己大楼本身的地，而且要量好接地的地线。因为地线接进去以后，大楼对外面的电磁层进行屏蔽了，大楼相对来说也是导电的，就算不导电，现在国家都有安全要求，大楼超过多少层都要加上避雷针，就是防雷的。如果不能接地，你就要考虑充放电的问题。前面最好的共模电容我觉得还是要，我认为这个共模电容最好连接上，不能接大地，要接在外壳上，接到外壳上有什么好处？共模电压一进来，虽然电流没有通过地放电回路，把电压举高起来了，与外面输入电压是一样的，外壳电压取的一样，起到了屏蔽作用。如果这个接地的话会更加安全，但是地线要足够粗，回路也足够，因为放电的电流很大，很容易烧掉。这几个东西是经过很多年的试验，8是很成熟的东西，不管做共模还是防雷都要做上，如果连机壳都没有，只是塑料壳，也要考虑这根线接到什么位置最好？是接到里面面积最大的地方，就是公共地面积最大的地方，让电位举起来，其他电位差不会产生很大的电容回路。主要是考虑充放电回路，电流越小越好，两个电位差越小越好。
2、我们是做防雷模块的，在实际应用中，现场通常会碰到没有地可接，这时我们首先建议客户做一个接地系统，但如果因为造价或者其他原因确实接地有困难，我们建议客户把防雷器的地和其他设备做等电位连接后悬浮，是否妥当？
这个防雷模块一般都是放电管，一般在外面卖的都是压敏电阻或者气体放电管，相当于稳压二极管一样的，比较先进一点的就是与硅一样的，就是电压超过多少的时候，压敏管就导通，或者气体放电管，压敏电阻比较便宜，但是最不可靠的。首先压敏电阻过压冲击的时候，寿命有限的，只有十几次就不能用了，压敏电阻是一堆乱七八糟的二极管在里面互相接触，就是两个不同金属氧化物之间互相接触相当于一个二极管，以前我们用矿石收音机或者用矿石整流，就是拿两块氧化铜或者氧化矿石连接以后就可以当成整流二极管使用，原理是一样的，里面一大堆氧化铅，每个界面都相同，相当于一个二极管，二极管有一个耐压，通过里面来控制耐压的参数。这种一次击穿以后二极管坏掉了，选另外一个渠道。二极管都是哪个电压高击就穿哪一个，另外一个低的就不击穿，哪个电压高就损坏那一个，然后再损坏另外一个，最多只能损十几次，压敏电阻就坏了。用普通稳压二极管功率不够，分布电容比较大。用空气的话相对放电管恢复时间很长，点火时间也长，导通时间很长，恢复时间很长，对于高速的保护来不及。比如说作为传输线之类的保护是不行的，过压以后一导通了，导致长时间难以恢复。防雷模块我建议用在最后面，就是作为后备来使用，就是在IC输入角可以接输入输出接口的位置，在电源输入的地方绝对不能用，一个是用上去没有效，另外成本很高，作为输入端用人工排一个放电装置，在后面再加上防雷模块，互相组合起来使用。
3、关于EMI电磁干扰，我们的防雷元器件是否能够奏效？还是主要依靠设计、合理布局更有效？
按照道理EMI是电磁干扰，避雷元器件按照道理并不联系在一起，但EMC滤波里面，与EMC滤波器同样有防雷功能，就是前面的几个电感和共模电容还有差模电容对防雷都起到作用，大家要理解，EMC滤波是用于设备上的，但反过来考虑雷电的时候，你就要把干扰信号从外面输进来，要这样考虑了，不能单方面，最好在防雷加上一个放电装置加在电感后面，共用共模滤波电容。
4、ESD在PCB设计中应注意的事项有哪些？
ESD一般除了防雷以外，还有一些别的相关内容，里面有一些IC很容易受到周边电压比较高的器件干扰或损坏，比如说在电视机里面，电视机里面的高压包产生的高压是上万的，里面的CPU等模式电路你绝对不能靠近高压电源部分，必须远离它。以前我们试过，都是因为与高压包靠得太近了，把里面的起动器干扰，把里面的数据打乱，我们只是在上面贴了一块示波片，最开始是过滤嘴香烟里面有示波片，我们从垃圾堆里面捡来，应急处理往上面贴，让修理部这样来应付处理。慢慢我们对这个东西认识很清楚了，现在很多集成电路采取这种方式，有的在上面带一个散热片，本身可以做屏蔽，或者在上面贴一个胶纸，胶纸有导电的作用，可以放上去，这是ESD方面的防护方法。因为贴了一块以后，哪怕电离层很高的打下去都不会击坏，所以在贵重集成电路里面，在电路板上面贴一块有一边绝缘的，两边的绝缘都是零，但是有一块示波片，外面都有卖，非常方便。现在电视机里面都大量采用这种技术。对于排线的输入输出线、信号线都是靠得越近越好，两根线一定要找出来哪个是输入，哪个是输出，电流流进去还是流出来的，线靠近得越近越好，里面的面积越缩小越好，如果电流很小，信号功率很小，尽量用小而不是用大，如果大了分布电容也大，分布电容大的以后容易接受电子干扰和电容损坏，里面的长效管用眼睛看不到，用放大镜放大几百倍也是看不到的，隐线可以看到，里面隐线的电容相对来说高很多，接一点点正电进去以后击穿了，所以里面的导线越短越好。集成电路的输入输出都一般，加了一个二极管，就是与电容接在一起，本身在电路里面都有保护作用，如果没有接到电路里面用手去摸是坏掉的，接到里面有信号作用了就不会坏。
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5、在射频电路中，敏感线路（如数据线等）如何保护？
数据线大家都已经有很多方法，一般数据线最好用差分，将两根线扭在一起，扭在一起以后一个流进去，一个流出来，双绞在一起，外面加一层屏蔽线，外面只有一条接地，不要两条都接，接一头就可以了，双绞线对电子干扰互相抵消，同一个方向流出来的电流产生的方向正好相反，互相抵消，差分是最好的，不要接到公共地上，用差分。很简单，这个线加一个磁环，两端都加一个磁环，这个磁环对差模有相当等于零，流过的信号一个是差模信号，干扰信号大部分是共模的，加上电感上面对共模很有效，ESD放电基本上都是共模，加载上面对ESD起到保护作用。充放电加一个小磁环，如果没有小磁环，用适配器往插头上一插，瞬间选择突然充电会有损坏，不要轻易把磁环去掉，那就是让你对充放电抑制速度的降慢。
6、IC引脚的静电防护，加什么器件既经济又有效？
如果不考虑速度，最好是在输入端加一个电阻，靠近IC加一个电容，这只有几十PU加大，如果信号频率很高，尽量想办法把信号线的阻耗降低，不要搞得很高。现在一般的信号线，高频都是50欧姆，两个之间接一个75安培或50安培的，把阻碍降低，直冲放电就是两个电位。75欧姆以上，一根线上面加的1v电压上去，流过的电流多大？或者说一个毫安的电流在上面的电压也很小，因为ESD放电的电压很高，电流很小，放电电压马上掉下来，不会冲击到集成电路里面去。所以在要求不是特别高上面，尽量把输入降低。
7、ESD防护器件什么时候应该放在端口处，什么时候该放在芯片管角？
保护单个集成电路就放在集成电路的地方最好，如果保护整个设备就放在端口。放在集成电路这个地方，后面那一段照样有电压可以感应到别的IC上，对别的IC会产生损坏，所以你要保护好IC，就在IC加上ESD的保护，如果对整个设备进行保护的话，所有的接口都加ESD保护就足够了，这个成本是最低的。因为你把数据输出、输入接一个保护，里面本身不会产生ESD放电，如果里面产生ESD放电早不能过关，ESD放电肯定从外面进去的，把所有的口都封住就不会有问题。所以，我建议你如果从设备考虑，从成本考虑就接输入输出口的地方，为了保护集成电路，对其他不管的话就接在集成电路上。<上一页123456 关键字：陶老师 ESD EM EMC 防雷设计 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80007279?page=6
