AI摘要：本文介绍了接口防护中的浪涌问题，包括浪涌的定义、类型、特点以及对电子设备的影响。浪涌是由雷电、开关操作等引起的瞬态高压噪声，分为雷涌、开关浪涌、负载突降浪涌和ESD。浪涌可能导致大面积损坏、焊盘/金属层烧坏等问题。文章详细讨论了浪涌的防护措施，如共模浪涌抑制电路、超高浪涌电压抑制电路等，并提供了浪涌测试方法。此外，还提到了手机行业对浪涌标准的高要求，以及TVS管的功率要求和选型指南。
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接口防护指南——浪涌
接口失效不仅有机械应力、电化学反应导致的失效，最重要的还是电气失效——静电ESD和浪涌SURGE。两者的范围如下图所示1。
静电属于短时高压，浪涌属于长时低压，后者能量更大持续时间更久。
对照上图，总结如下表所示。
| 瞬态过压 | 稳态过压 | |
|---|---|---|
| 持续时间 | 短 | 长 |
| 功率 | 大 | 稳定 |
| 能量 | 小 | 稳定 |
| 来源 | 浪涌、静电、热插拔、过充 | 电源接错，电源损坏，腐蚀 |
当超过ESD单元钳位电压的过电压出现在器件端子上时，器件会不会损坏就取决于ESD元件被击穿期间通过它的能量的多少。
ESD（Electro Static Discharge, 静电释放）和EOS（Electrical Over Stress, 电气过应力）都是与电压过应力有关的概念，但它们之间的差异也很明确：
- ESD的电压很高（> 500V），持续时间相对较短（< 1µs）
- EOS的电压相对较低（< 100V），持续时间更长一些（通常 > 1µs）
对于器件来说，其电应力工作区间如下图所示，超过最大工作电压后会出现EOS损坏。
EOS损坏的器件失效图片如下所示，常伴有大面积烧毁、金线断裂，发热发烫或者不工作。
浪涌和静电损坏的特点如下表所示。
| 损坏类型 | 浪涌、过压、过功率 | 静电（ESD） |
|---|---|---|
| 特点 | 大面积损坏 | 微小的点损坏 |
| 焊盘/金属层烧坏 | IO PAD或相关联的线路失效 | |
| 物理损伤 | 外观：烧裂、烧黑、鼓包 | 外观：无异常或不明显 |
| 内部：金属层烧坏、碳化、铜线熔断 | 内部：硅级别（栅极针孔，晶体管熔断） | |
| 机制 | 热损坏 | 静电损坏 |
| 电压低 | 电压高（>500V） | |
| 峰值电流10A~100A | 峰值电流1A~24A | |
| 持续时间1us~10min | 持续时间短（<300ns） |
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浪涌SURGE
浪涌是指由雷电和开关等引起的瞬态高压噪声。以下是车规上的区别2。
| 类型 | 说明 |
|---|---|
| 雷涌 | 作为自然现象的雷电具有非常大的能量。雷电造成的浪涌，可以区分为直击雷涌和感应雷涌。对直击雷涌进行保护是非常困难的，但是对感应雷涌则可采取保护对策。感应雷涌指的是电源线路和通信线缆等比较长的配线由于附近的雷击而感应发生的高电压浪涌。 |
| 开关浪涌 | 开关浪涌是一种瞬态的高电压浪涌，它是在开关和继电器等通/断(开/关)时(特别是断开时)，由于急剧的电流变化和电路或配线的电感变化，而在触点处诱发高电压浪涌。开关浪涌的电压非常高，有的情况下还会产生火星，因电感与触点的杂散静电电容造成的大衰减振动电流会放出热或电磁波。此高电压浪涌是导致电子电路错误动作的原因，在有的情况下还是导致零部件损坏的原因。 |
| 负载突降浪涌(load dump) | 负载突降浪涌是在汽车上起因于电池的阻断而产生的浪涌。在交流发电机(电池充电用发电机)因发动机的动作而处于对电池进行充电的状态下，出现对电池的连接中断情况是最坏的情形。浪涌电压的大小，是由切断瞬间同步发电机的旋转速度和磁场的励磁强度来决定的。 |
| ESD(静电放电) | ESD(静电放电)是人体和物质所具有的微小杂散电容中所蓄积的电荷向周围物体放电的一种现象，它被分类为浪涌的一种。 ESD虽然时间短，能量小，但由于是达数千伏的短暂性的瞬态高电压，会诱发电子电路的错误动作，或者造成电子零部件的损坏。 |
雷涌
在工业和家电等需要接入电网的产品，要考虑到雷击场景。
电子设备雷击浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.5（等同于国际标准IEC61000-4-5）3。
标准主要是模拟间接雷击产生的各种情况：
- 雷电击中外部线路，有大量电流流入外部线路或接地电阻，因而产生的干扰电压。
- 间接雷击（如云层间或云层内的雷击）在外部线路上感应出电压和电流。
- 雷电击中线路邻近物体，在其周围建立的强大电磁场，在外部线路上感应出电压。
- 雷电击中邻近地面，地电流通过公共接地系统时所引进的干扰。
应对雷涌需要用到以下措施。
共模浪涌抑制电路
对4000Vp以下的浪涌电压进行抑制，一般只需采用LC电路进行限流和平滑滤波，把脉冲信号尽量压低到2~3倍脉冲信号平均值的水平即可。由于L1、L2有50Hz电网电流流过，电感很容易饱和，因此，L1、L2一般都采用一种漏感很大的共模电感。用在交流，直流的都有，通常我们在电源EMI滤波器，开关电源中常见到，而直流侧少见3。
一般CX电容可承受4000Vp的差模浪涌电压冲击，CY电容可承受5000Vp的共模电压冲击。正确选择L1、L2和CX2、CY参数的大小，就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌电压。但如果两个CY电容是安装在整机线路之中，其总容量不能超过5000P，如要抑制浪涌电压超过4000Vp，还需选用耐压更高的电容器，以及带限幅功能的浪涌抑制电路。
所谓抑制，只不过是把尖峰脉冲的幅度降低了一些，然后把其转换成另一个脉冲宽度相对比较宽，幅度较为平坦的波形输出，但其能量基本没有改变。
两个CY电容的容量一般都很小，存储的能量有限，其对共模抑制的作用并不很大，因此，对共模浪涌抑制主要靠电感L1和L2，但由于L1、L2的电感量也受到体积和成本的限制，一般也难以做得很大，所以上面电路对雷电共模浪涌电压抑制作用很有限。
超高浪涌电压抑制电路3
上图是一个可抗击较强雷电浪涌脉冲电压的电原理图，图中：G1、G2为气体放电管，主要用于对高压共模浪涌脉冲抑制，对高压差模浪涌脉冲也同样具有抑制能力；VR为压敏电阻，主要用于对高压差模浪涌脉冲抑制。经过G1、G2和VR抑制后，共模和差模浪涌脉冲的幅度和能量均大幅度降低。
G1、G2的击穿电压可选1000Vp~3000Vp，VR的压敏电压一般取工频电压最大值的1.7倍。
G1、G2击穿后会产生后续电流，一定要加保险丝以防后续电流过大使线路短路。
增加了两个压敏电阻VR1、VR2和一个放电管G3，主要目的是加强对共模浪涌电压的抑制，由于压敏电阻有漏电流，而一般电子产品都对漏电流要求很严格（小于0.7mAp），所以图中加了一个放电管G3，使平时电路对地的漏电流等于0。G3的击穿电压要远小于G1、G2的击穿电压，采用G3对漏电隔离后，压敏电阻VR1或VR2的击穿电压可相应选得比较低，VR1、VR2对差模浪涌电压也有很强的抑制作用。
G1是一个三端放电管，它相当于把两个二端放电管安装在一个壳体中，用它可以代替上面两个实例中的G1、G2放电管。除了二端、三端放电管之外，放电管还有四端、五端的，各放电管的用途也不完全相同。
增加了两个压敏电阻（VR1、VR2），主要目的是为了隔断G1击穿后产生的后续电流，以防后续电流过大使输入电路短路，但由于VR1、VR2的最大峰值电流一般只有G1的几十分之一，所以，本实例对超高浪涌电压的抑制能力相对实例3要的抑制能力差很多。
在PCB板上直接制作放电避雷装置，可以代替防雷放电管，可以抑制数万伏共模或差模浪涌电压冲击，避雷装置电极之间距离一般要求比较严格，输入电压为AC110V时，电极之间距离可选4.5mm，输入电压为AC220V时，可选6mm；避雷装置的中间电极一定要接到三端电源线与PCB板连接的端口上。
在PCB板上直接制作气隙放电装置，正常放电电压为每毫米1000~1500V，4.5mm爬电距离的放电电压大约为4500~6800Vp，6mm爬电距离的放电电压大约为6000~9000Vp。
6、各种防雷器件的连接
避雷器件的安装顺序不能搞错，放电管必须在最前面，其次是浪涌抑制电感和压敏电阻（或放电管），再其次才是半导体TVS闸流管或X类电容及Y类电容。
抑制器件主要有陶瓷气体放电管、氧化锌压敏电阻、半导体闸流管（TVS）、浪涌抑制电感线圈、X类浪涌抑制电容等，各种器件要组合使用。
气体放电管的种类很多，放电电流一般都很大，可达数十kA，放电电压比较高，放电管从点火到放电需要一定的时间，并且存在残存电压，性能不太稳定。
氧化鋅压敏电阻伏安特性比较好，但受功率的限制，电流相对比放电管小，多次被雷电过流击穿后，击穿电压值会下降，甚至会失效。
半导体TVS管伏安特性最好，但功率一般都很小，成本比较高。
浪涌抑制线圈是最基本的防雷器件，为防流过电网交流电饱和，必须选用三窗口铁芯。
X电容也是必须的，要选用容许纹波电流较大的电容。
开关浪涌和负载突降浪涌
沿线路或者电路传送的电流、电压或功率的瞬态波，其特征是先快速上升后缓慢下降。外部接口，静电、浪涌、热插拔等瞬态过压优先考虑选用合适的TVS来保护。
TVS管的功率要求
假设要通过200V的浪涌，要求钳位电压是20V以内，浪涌测试仪的内阻是2Ω，所以最大输出电流是（200V-20V）/2Ω=90A，则要选择管子功率在90A*20V=1800W功率以上。如果这个TVS管的钳位电压小于20V，对功率的要求会低一些4。
另外也要遵循以下要求：
- Vrwm需要保证不会影响到器件工作，故需要大于器件工作电压Vin。
- Vbr为动作电压点，同Vrwm一样需要大于器件工作电压Vin。通常Vrwm=（0.8~0.9）Vbr。
- Vcl为钳位电压，需要低于器件的最大工作电压Vinmax。当ESD或者浪涌通过时，到器件端的电压最多会被钳位到Vcl，即Vclamp，一般为1.3Vbr。
划重点：
- Vbr>Vrwm>Vin（1.1~1.2：1：1）
- Vinmax>Vcl>Vbr（n：1.3：1）
- P=Vclamp*(Vsurge-Vclamp)/2
TVS的电气特性由器件结构、掺杂浓度、衬底电阻率所决定，浪涌功率和浪涌电流容量与结面积成正比。
Ipp是高于Vcl时的最大脉冲峰值电流，高于此值时TVS会损坏。
手机行业浪涌标准
国内目前标准里还没有具体的过压测试的指标，但是涉及出口的产品，都会提出相关的需求，从2015年的过压浪涌300V，到目前已经有客户需要测试500V。都显示了客户对过压可靠性的高要求。以下是网友摸到的大厂的测试标准5，可见大部分厂家的要求都是300V以上。
对于USB口上其他信号线要求如下：
常用电路结构如下图所示。
TVS1为VBUS浪涌管，防止充电时供电不稳产生浪涌，经过TVS管后会存在残压，残压需要实测，但不会超过钳位电压。后级OVP进行过压保护，保护后面的充电芯片。
TVS2为Vbat浪涌管，防止电池拔插时产生浪涌，保护充电芯片电池接口和PMIC的电池供电口。
测试方法
模拟雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理如下图所示。
上图是模拟雷电击到配电设备时，在输电线路中感应产生的浪涌电压，或雷电落地后雷电流通过公共地电阻产生的反击高压，的脉冲产生电路。4kV时的单脉冲能量为100焦耳。
图中Cs是储能电容（大约为10uF，相当于雷云电容）；
Us为高压电源；
Rc为充电电阻；
Rs为脉冲持续时间形成电阻（放电曲线形成电阻）；
Rm为阻抗匹配电阻Ls为电流上升形成电感。
雷击浪涌抗扰度试验对不同产品有不同的参数要求，上图中的参数可根据产品标准要求不同，稍有改动。
基本参数要求：
（1）开路输出电压：0.5～6kV，分5等级输出，最后一级由用户与制造商协商确定；
（2）短路输出电流：0.25～2kA，供不同等级试验用;
（3）内阻：2 欧姆，附加电阻10、12、40、42欧姆，供其它不同等级试验用；
（4）浪涌输出极性：正/负；浪涌输出与电源同步时，移相0～360度；
（5）重复频率：至少每分钟一次。
这个就是模拟雷击的脉冲发生器，其输出波形如下图所示。
1.2/50us的波形：开路电压波前时间1.2us；开路电压半峰值时间50us。
8/20us的波形：短路电流波前时间8us；短路电流半峰值时间20us。
1.2/50μS为开路电压波形，8/20μS为短路电流波形；对于低阻抗试品：组合波发生器模拟输出8/20μS波形，可作为冲击电流发生器使用；对于高阻抗试品，输出1.2/50μS波形，可作为冲击电压发生器。实际使用过程中为组合波形。