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摘 要：文中阐述了雷积云的形成，对直击雷、感应雷、雷电浪涌进行了分析，重点论述了雷电浪涌对弱电设备的危害，介绍了新型的微电子装置防浪涌器件。
关键词：雷云形成 雷电浪涌 抑制器件
1概述
防雷是一个老话题，但仍在不断发展中，应该说现在尚无万试万灵的产品。防雷技术还有许多待探索的东西，目前雷云起电的机理还不清楚，雷电感应的定量研究也很薄弱，因此防雷产品也在发展中，一些新研制开发的防雷产品其性能和效果，仍需以科学的态度在实践中检验，并在理论上发展完善。由于雷电本身是小概率事件，需要大量长期的统计分析才能得到有益的结果，这需要各方的通力合作才能得以实现。
雷电是一种常见的大气放电现象。在夏天的午后或傍晚，地面的热空气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积雨云，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷雨云的电荷感应，也会带上与云底相反极性的电荷。当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000—20000℃，所以发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。由于雷电释放的能量相当大，它所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种危害。
随着科学技术进步，微电子技术的不断发展；自动化水平也在不断提高，自动控制系统在生产生活各个方面的使用越来越广，微电子设备应用日益广泛，人们在受益于微电子的极大方便的同时，也受到其一旦损坏就损失巨大的困扰。实际中，在规划设计自动控制系统的时，往往对自动控制系统的防雷未加考虑或考虑不够的情况较多，一旦有雷电波侵入，设备损坏一般是巨大的，有的甚至使整个系统瘫痪，造成无可挽回的损失。一些微电子器件工作电压仅几伏，传递信息电流小至微安级，对外界的干扰极其敏感，而雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损害尤为严重。在雷雨季节，自动化显示系统、通信联络系统(Modem、载波机、程控交换机等)等常常损坏，造成较大的直接和间接经济损失。尽管有些自动化系统采取了一定的防雷措施，但仍常出现由于雷击发生使的弱电设备损坏,例如；变电站线路落雷，造成主控地与设备之间的电位差而损坏大量的保护设备；变电站的微波塔落雷，由于感应过电压而损坏大量的通讯、远动设备损坏。其主要原因是由于一次设备发生雷击后在弱电设备造成的浪涌超过了设备承受的能力而损坏设备的，浪涌的主要形式是电源浪涌、信号浪涌。
雷击是一种自然现象，它能释放出巨大的能量、具有极强大的破坏能力。几个世纪来，人类通过对雷击破坏性的研究、探索，对雷电的危害采取了一定的预防措施，有效地降低了雷害，采取正确、全面的防雷措施是保证弱电设备安全可靠运行的重要手段。
2.雷积云的形成
人们通常把发生闪电的云称为雷雨云，其实有几种云都与闪电有关，如层积云、雨层云、积云、积雨云，最重要的则是积雨云，一般专业书中讲的雷雨云就是指积雨云。云的形成过程是空气中的水汽经由各种原因达到饱和或过饱和状态而发生凝结的过程。使空气中水汽达到饱和是形成云的一个必要条件，其主要方式有：水汽含量不变，空气降温冷却；温度不变，增加水汽含量； 既增加水汽含量，又降低温度。
但对云的形成来说，降温过程是最主要的过程。而降温冷却过程中又以上升运动而引起的降温冷却作用最为普遍，积雨云就是一种在强烈垂直对流过程中形成的云。由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，所以白天地面温度升高较多，夏日这种升温更为明显，所以近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，压强也随着降低，根据力学原理它就要上升，上方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。热气流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气进行热交换，于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴，就形成了云。在强对流过程中，云中的雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶或雪花，并随高度逐渐增多。在冻结高度（-10摄氏度），由于过冷水大量冻结而释放潜热，使云顶突然向上发展，达到对流层顶附近后向水平方向铺展，形成云砧，是积雨云的显著特征。
积雨云形成过程中，在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。当电荷积聚到一定程度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，也就是人们平常所说的“闪电”。
雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾难，尤其是近几年来，雷电灾害频繁发生，对国民经济造成的危害日趋严重。我们应当加强防雷意识，与气象部门积极合作，做好预防工作，将雷害损失降到最低限度。
3.直击雷、感应雷和浪涌
现代化的城市中高层建筑日益增多，造成雷电击穿空气的距离缩短，因为雷击的概率与建筑的高度成正比，所以雷击概率加大。同时，由于全球气候变暖，城市热岛现象增多，使城市的大气环流形势出现了新特点，夏季雷暴期延长。而更重要的是，随着科技的进步，微电设备被广泛应用，城市通信电源大幅增多，城市电磁场发生变化，特别是微电子产品普遍绝缘强度低，过电压耐受力差，容易遭受雷电侵袭，其中电脑网络、通讯指挥系统和公用天线都是重灾区。从某种意义上说，科技越发达，雷击对人们的威胁就越大。雷电危害可分成直击雷、感应雷和浪涌三种。
3.1直击雷
直击雷在雷暴活动区域内，雷云直接通过人体，建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称之为直接雷击。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能。雷击放电的电量大约为25~100C。据此估算，雷击点的发热量大约500~2000J。该能量可以熔化50~200mm3的钢材。因此雷电流的高温热效应将灼伤人体，引起建筑物燃烧，使设备部件熔化。在雷电流流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力。该机械力可以达到5000~6000N，因而可使人体组织，建筑物结构、设备部件等断裂破碎，从而导致人员伤亡、建筑物破坏，以及设备毁坏等
雷电流在闪击中直接进入金属管道或导线时，它们沿着金属管道或导线可以传送到很远的地方。除了沿管道或导线产生电或热效应，破坏其机械和电气连接之外，当它侵入与此相连的金属设施或用电设备时，还会对金属设施或用电设备的机械结构和电气结构产生破坏作用，并危及有关操作和使用人员的安全。雷电流从导线传送到用电设备，如电气或电子设备时，将出现一个强大的雷电冲击波及其反射分量。反射分量的幅值尽管没有冲击波大，但其破坏力也大大超过半导体或集成电路等微电子器件的负荷能力，尤其是它与冲击波叠加，形成驻波的情况下，便成了一种强大的破坏力。
3.2感应雷
感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备具有强烈的破坏性。
感应雷可分为以下两类：
3.2.1静电感应雷；
带有大量负电荷的雷云所产生的电场E将会在架空线路上感生出被电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或对云间放电时，云层中的负电荷在一瞬间消失了（严格说是大大减弱），那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击，从而对电器设备产生不同程度的影响。
3.2.2电磁感应雷；
雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上（由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了），对用电设备造成极大危害。
3.3浪涌
雷电浪涌是近年来由于微电子设备的不断应用而引起人们极大重视的一种雷电危害形式，同时其防护方式也不断完善。最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的。一方面由于电子设备内部结构高度集成化（VLSI芯片），从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压浪涌）的承受能力下降，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入微电子设备设备。我们就这电源浪涌和信号系统浪涌两方面分别讨论其对弱电设备的危害：
3.3.1电源浪涌；
电源浪涌并不仅源于雷击，当电力系统出现短路故障、投切大负荷时都会产生电源浪涌，电网绵延千里，不论是雷击还是线路浪涌发生的几率都很高。当距你几百公里的远方发生了雷击时，雷击浪涌通过电网线路传输，经过变电站等衰减，到你的微电子设备时可能仍然有上千伏，这个高压很短只有几十到几百个微妙，或者不足以烧毁微电子设备，但是对于微电子设备内部的半导体元件却有很大的损害，例如旧音响的杂音比新的要大是因为内部元件受到损害一样，随着这些损害的加深微电子设备也逐渐变的越来越不稳定，或有可能造成您重要数据的丢失。美国GE公司测定一般家庭、饭店、公寓等低压配电线（220V/110V）在10000小时（约一年零两个月）内在线间发生的超出原工作电压一倍以上的浪涌电压次数达到800余次，其中超过1000V的就有300余次。这样的浪涌电压完全有可能一次性将电子设备损坏。
3.3.2信号系统浪涌；
信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。金属物体（如传输线）受到这些干扰信号的影响，会使传输中的数据产生误码，影响传输的准确性和传输速率。排除这些干扰将会改善网络的传输状况.
目前，直击雷造成的灾害已明显减少，而随着城市经济的发展，感应雷和雷电波侵入造成的危害却大大增加。一般建筑物上的避雷针只能预防直击雷，而强大的电磁场产生的感应雷和脉冲电压却能潜入室内危及电视、电话及联网微机等弱电设备。
目前，雷电灾害已被国际电工委员会（IEC）称为“电子化时代的一大公害”。因随着微电子设备应用的日益广泛和普及，雷电会导致对微电子设备多种不同形式的危害，而目前仍没有任何一种办法可以全面防止雷电的危害，只能通过各种有效的办法可将雷害的程度降到最低，在多年的实际中人们对直击雷、感应雷、球形雷的认识比较高，防护也相对完善，但对雷电浪涌的防护意识和防护措施相对比较薄弱，为此完善对雷电涌的防护理论，开发研制新型的防雷电涌器件是E时代的基础技术。
4.下一代电子装置防浪涌器件
据统计，约75％的现场微电子设备故障因EOS(电气过应力)而引起过电流或过电压，因此电路设计人员应该注意导致EOS的原因，并提供适当的电路保护以确保设备安全可靠地工作。系统设计人员应该清楚地了解每一个电子设备的电压和电流参数、以及特定电路和元器件的限制，在系统中设计低成本的电路保护器件。
4.1过流保护
现在可选择几种技术以提供过流保护，这些技术包括传统的熔丝管（玻璃和陶瓷型）、薄膜保险丝和基于聚合物的正温度系数（PTC）器件。
4.1.1表面安装型保险丝；
薄膜保险丝属于外形小巧类表面安装元件，可为下一代电脑和电讯、数据通讯产品中的昂贵IC提供过流保护。典型的移动电路一般都有多个为昂贵的VLSI电路提供过流保护的薄膜保险丝，这些保险丝工作于不同的额定电流和额定电压下。表面安装型保险丝（SMF）的典型封装尺寸为1206（3.2 mm×1.6mm）和0603（1.6mm×0.8mm）。这些保险丝的最大允许电流为：1206型7安培，0603型5安培。这些片式保险丝可提供与电池组、移动电话、笔记本电脑、LCD监视器、PDA和调制解调器匹配良好的紧凑设计。当前用薄膜技术设计出的最小保险丝尺寸为0402，允许的电流范围从250mA～2A。
4.1.2通用模块型保险丝（UMF）；
市场上现有的保险丝均遵循UL248或IEC技术规格，遵循IEC127标准设计的传统5mm×20mm熔丝管已得到UL认证，并获得UR（UL认证）证书，尽管IEC127－4标准概述了通用模块型保险丝（UMF）的技术规格，但目前市场上尚无得到任何IEC代理机构认证的表面安装型保险丝。NAN02通用模块型保险丝是第一种满足IEC127－4规范的产品，其额定电压为125V，额定电流可为50mA、1A和1.6A。
4.1.3 PTC可复位型保险；
PTC可复位型保险丝的工作原理是，在过流情况下通过调高自身电阻来保护电路免受损害，一旦电流恢复正常，PTC可复位保险丝能自动恢复到正常低阻值，并允许电流通过。这些特性使得PTC可复位保险丝在电池供电的电子产品和数据通讯应用中，成为理想的选择，因为在更换电池或插拔数据连接时可能会出现瞬间浪涌电流。PTC可复位型保险丝通常在某些电路中取代传统的玻璃保险丝，并主要用于USB。
4.2 PTC可复位保险丝和普通保险丝选用
这两种保险丝都借助感应电路中过电流产生的热量来实现保护功能，普通保险丝借助熔化来中断电流，而PTC通过将低阻改变为高阻来限制电流。理解这两种类型器件之间的差异将有助于选择最好的电路保护器件。在选择过流保护器件时，通常考虑以下4个因素。
4.2.1可复位性；
两者最明显的差异在于PTC是可复位的，通常过流发生后采取的步骤是先断电，然后使器件冷却下来。
4.2.2阻抗；
产品技术规格显示，在额定值大致相同的情况下，PTC具有保险丝2倍以上的阻抗。这个特性在设计用电池供电的设备时尤其突出，高阻抗器件增加的电能消耗不仅会缩短电池的寿命，而且还将导致更频繁的充电作业。
4.2.3时间、电流特性；
比较PTC和保险丝的时间、电流曲线图，PTC的响应速度比普通保险丝要慢得多，而这一点对保护电路中异常敏感的部分特别关键。
4.2.4尺寸；
普通保险丝的功率密度比PTC大得多，高达5A的保险丝已可采用0603封装，2A的则采用0402封装。最佳尺寸的表面安装型PTC的最大额定电流为2、6A，采用1812封装，业界主要制造商正在开发1206封装，并致力于增加电流承载能力。
4.3过压保护
在任何电子设备中都可能出现瞬态电压，它通常是由电路故障、雷击或ESD引发的。现在已开发出几种提供过电压电路保护的零配件，包括二极管、MOV、MLV、瞬态电压抑制器和ESD抑制器。 4.3.1变阻器；
金属氧化物变阻器（MOV）专为抑制汽车、电讯和交流电源应用中的过电压而设计。MOV是一种电压钳位元件，其阻抗与电压有关，如电压超过其阈值则其阻抗将变得非常小。MOV具有高的V－I非线性特性，反应速度快，能承受很高峰值电流，待机状态下漏电流又较低。 MOV的主要用途是保护那些必须满足"瞬态电压浪涌抑制器"UL1449各项要求的产品免受雷电损害。一个附近的闪电放电可通过云层到地或云层到云层感应出电磁场，这个电磁场能在原边电路或副边电路中感应出电压。直接的闪电放电能在交流电网或电话线路上产生高的浪涌电压。在敏感电路中安装的MOV器件可以将雷击带来的不利影响最小化。
多层变阻器（MLV）较小，是一种适合保护便携式和电脑设备中低电压电路的表面安装型无引线片式变阻器。同MOV一样，在电压超过其阈值时MLV就变得高度导电。MLV可以具有不同的电压和电流额定范围，以满足各种应用要求，容值仅为10pF的新款0402MLV在移动电路中得到了极好的应用。
典型的变阻器主要是为工作于18V或更低电压的电路板的应用设计的，这些表面安装器件通常应用在移动通讯、电脑、医疗仪和便携式设备中。
4.3.2瞬态电压抑制器；
随着电子工业界探索更多地提高效率和增加功能、降低产品成本和制造更紧凑便携式产品的方法，新的设计趋势是在单个封装中整合更多不同类型的元件，以提供完整的电路保护解决方案。将过压、过流保护器件、过温、过压保护器件和ESD抑制器整合在一起的新产品正在开发之中，它们将形成电路保护技术的又一次革命。瞬态电压抑制器是另一种选择，Surgector就是其中之一，它专为有线通讯系统提供二级保护。Surgector采用矽闸流技术以提供双向钳位保护，该器件可用来吸收通讯电路的瞬态波形和高峰值浪涌电流。Surgector有双极性、单极性和编程式SCR3种类型，并采用表面安装、D0214AA封装和直插式TO－202封装。
（1）ESD抑制器；现代电子系统（不论是便携的、机载的，还是陆基的）中的高密度电路，都很容易受到静电或ESD的侵害。人体能产生超过15kV的ESD，因此为了有效防止ESD侵害，要求许多新的电子设备必须满足IEC61000－4－2标准。
传统的钳位二极管和多层变阻器（MLV）通常用来保护低速、高功耗固体电路，不过，随着半导体制造技术的进步，市场正向低电压、高速集成电路方向发展，这些具有较大寄生电容的器件可能会导致信号传输失真。目前一种从聚合物正温度系数（PTC）技术发展而来的新器件，具有处理经常出现在IC之间的较大ESD脉冲的性能。
静电（ESD）抑制器的聚合物结构使得制造商可生产出各种形状的ESD抑制器，以满足各种不同应用的需要。该器件具有小于1pF的电容，可提供良好的限制信号降级和衰减的性能，以保证高速数据线和下一代电池组电路设计中的数据线能正常工作。
（2）TVS管即瞬态电压抑制器。
当其两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10－12s量级的速度，将两级间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值(一般小于2倍额定工作电压)，有效的保护电子电路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的破坏。
TVS管的伏安特性；其正向特性与普通二级管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。在瞬态脉冲电流的作用下，流过TVS管的电流，由原来的反向漏电流ID上升到 IR时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压Uoff上升到击穿电压UBR，TVS管被击穿。随着峰值脉冲电流的出现，流过TVS管的电流达到峰值脉冲电流Ipp，其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压Uc以下；其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS管两极电压不断下降，最后恢复到起始状态。这就是TVS管抑制出现的浪涌脉冲功率，保护电子元件的过程。
TVS管的显著特点为：响应速度快(10－12s级)、瞬时吸收功率大(数千瓦)、漏电流小(10－9A级)、击穿电压偏差小(±5％UBR与±10％UBR两种)、箝位电压较易控制(箝位电压Uc与击穿电压UBR之比为1.2～1.4)、体积小等。它对保护装置免遭静电、雷电、操作过电压、断路器电弧重燃等各种电磁波干扰十分有效，可有效地抑制共模、差模干扰，是微电子设备过电压保护的首选器件。
信息来源： 作者： 周志敏 莱芜
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