周文俊1 王继业2 张洪义2 刘永石2 陈学东3
1.武汉大学电气工程学院，武汉430072；2.吉林电力通信公司，长春130021；3.广州市番禺供电局，广州511400
0 引言
随着集成电路集成度的增高，电路中各元件间的距离愈来愈小，工作电压越来越低，对异常工作条件(特别是过电压)越来越敏感，很容易在过电压过电流作用下引起过热而造成芯片损坏；集成度越高则芯片引脚间及印刷电路板线路间的距离越小，即更容易在过电压时发生击穿、短路，引起过流，造成过热损坏。
由于电子产品种类繁多且更新速度快，不同厂家生产的同一型号产品、同一厂家生产的不同型号的产品及同一厂家不同批次生产的同一型号产品其耐受过电压、过电流的能力具有很大的分散性，对于大型复杂电子系统，确定每一元件的损坏阈值几乎是不可能的。作者通过对常用通信接口芯片进行过电压耐受能力的试验研究，为其过电压防护提供一些设计依据。
1 试验项目及方法
1.1 接口芯片的选择
计算机对外通信中常用RS—232接口和EIA—422接口，这两种接口常用MC1488、MC1489、MAX232、MC3487、MC3486、SN75150、SN75174及SN75175等芯片。本文选用表1中MC1488等6种芯片(每种芯片3只)作为试品。
1.2 雷电冲击电压耐受能力试验
图1试验电路中雷电冲击电压发生器的主电容C1＝30(1±10%)μF，400 V；波头电容C2＝0.1(1±10%)μF，6 000 V；波头电阻R1＝3.6 Ω；波尾电阻R2＝2.4 Ω；理论波头时间为3R1C2＝1.08 μｓ；半峰值时间为0.7R2C2＝50.4 μｓ；信号发生器内阻为50 Ω；最大输出电压为单极性20 V，双极性±10 V。C2两端不接负载时，用泰克TDS220示波器实测的视在波头时间为1.5 μｓ，半峰值时间为51 μｓ。
试验时，按产品使用手册推荐的工作条件接上电源及外部负载，在输入脚施加方波电压，通过示波器观察芯片输出脚电压，调节外围电路使其处于正常工作状态后，断开信号发生器。在输入脚上由低到高施加雷电冲击电压，同时用数字存储示波器记录冲击电压波形。每施加一次冲击电压后 ，断开冲击电压发生器的联线，输入脚重新接上方波电压，观察输入、输出脚上电压波形，判断驱动器是否能正确进行电平的转换。若能够正常工作，适当升高冲击电压发生器主电容的充电电压，继续对驱动器输出脚施加雷电冲击电压；若不能正常工作，则认为芯片已损坏，结束试验，打印输入 、输出脚上的电压波形及存储的冲击电压波形和损坏电压值。
1.3 直流电压耐受能力试验
试验电路如图2。同雷电冲击电压耐受能力试验一样，调节外围电路使芯片处于正常工作状态后 ，断开信号发生器。在输入脚上施加短时直流电压，每次持续时间5 s；从正常工作电压开始，每次增加～2 V。每施加一次直流电压后重新输入方波信号，用示波器观察输入输出管脚上电压波形，检查芯片是否损坏。不断升高直流电压直到发现明显损坏现象时停止试验，记录芯片损坏时的直流电压。对MAX232芯片还做了电源耐受能力的试验。
1.4 交流电压耐受能力试验
试验电路如图2。调节芯片外围电路使芯片处于正常工作状态后，断开信号发生器。输入脚上施加短时交流电压，每次持续时间5 s，电压峰值从正常工作电压开始，每次增加～3 V。每施加一次交流电压后重新输入方波信号，用示波器观察输入、输出管脚上的电压波形，检查芯片是否损坏。不断升高交流电压直到发现明显损坏现象时停止试验，记录整个试验过程中交流电压的最大峰值。
2 试验现象及数据
雷电冲击电压耐受试验中，有的芯片损坏后输出波形严重畸变，有的芯片损坏后根本不能进行电平转换。图3～6为2种接口芯片试验中记录的波形，其芯片外观完好，未闻到烧焦的气味。
直流和交流电压耐受试验中，芯片损坏后不但不能进行电平转换，还可明显观察到芯片外观上的破坏，所有芯片损坏后发出烧焦的气味，有的芯片冒出白烟，有的芯片炸裂。
3 实验结果
1)同型号芯片同类型电压下损坏电压值差别较大，如MC1488其标准雷电冲击电压下最大与最小损坏电压相差12 V；直流正极性电压下最大与最小损坏电压相差6.8 V；直流负极性电压下最大与最小损坏电压相差6.1 V；交流电压下最大与最小损坏电压峰—峰值相差3.6 V；
2)同型号芯片不同类型电压下损坏电压值差别值很大。比较其平均损坏电压(交流电压峰值取表中峰—峰值的一半)，标准雷电冲击电压下平均损坏电压最高，其次是交流损坏电压峰值，有的芯片直流正极性损坏电压比直流负极性电压高，而有的芯片直流正极性损坏电压比直流负极性电压低；
3)接收器输入脚比驱动器输入脚损坏电压高；
4)MAX232电源脚直流损坏电压高于正常工作电压的2倍；
5)所有输入脚各种类型损坏电压高于推荐工作条件规定值的1.6倍，并且除了MAX232接收器外全部高于极限参数。
4 过电压防护建议
1) 对雷电过电压的防护，5 V工作电平的微电子器件(如TTL集成电路)在雷电过电压达12.5 V峰值、30 ns脉宽时可使其误动或损坏[1]，因而建议防雷保护水平选定在微电子器件额定工作电压的2.5倍以下。
2) 对过电压防护要求特别严格的场合，微电子器件最低耐受电压建议采用15倍正常工作电压作为其过电压保护器件最高残压[2]。
参考文献
1 周文俊，文习山等.县级电力调度自动化设备的防雷.电力系统通信，1998，(3)：40
2 Melville Clark O, Ronalde. Lightning protection for microprocessor based electronic systems. IEEE Trans on Industry Applications. 1990, (5):317
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