1.1 電路保護的作用和意義

在當今的工業化、信息化的時代，各式各樣的電氣、電子產品日新月異、層出不窮，并已廣泛地應用在工業、農業、商業、交通、國防領域以及家庭日常生活等各個方面，給人們帶來了巨大的經濟效率和進步，使人們的生活更加方便和愉悅，電氣化、電子化已成為普及全球的一個突出的特征。然而，眾多的消費者在選購和使用這些電氣、電子設備時，卻常常忽略了其安全性和可靠性，而其實這也是產品品質的一個重要指標。一些用戶甚至以為產品的安全和可靠是產品天生就有的，不需要進行設計和成本預算，而過度縮減甚至取消在產品安全性方面的支出。實際上，電氣、電子產品的安全運行是其能夠被廣泛應用的先決條件。電氣、電子產品在實際工作時不可避免地會遇到一些外界極端電磁環境的影響，如雷電（lightning）、靜電（electrostatic）等惡劣工作條件造成設備損害的事例常有報道。此外，電氣、電子產品自身也常會因為用戶操作不當、負載故障、元器件老化等原因而形成過電流等安全故障。電氣、電子設備只有具備了可抵御外界電磁危險以及防止自身故障擴大及傳播的能力才能符合實際安全應用的要求，而這種安全能力的具備只有通過合理的電路保護設計才能實現。

電氣、電子設備和產品開發設計的重要內容之一就是安全性、可靠性設計。電路保護技術的本質就是針對電氣、電子產品乃至系統的內外部典型危害和故障，設計、制造保護器件，并結合所應用的設備或系統進行保護器件和保護方案的設計和優化，實現電氣、電子設備及系統安全的一種有效措施。因此，電路保護技術是電氣、電子設備和系統不可或缺的設計環節和構成要素。

特別是20世紀80年代以來，電信事業、電力工業、交通運輸業飛速發展，電信網絡、計算機網絡、電力網絡、汽車電子的建設和更新不僅已在全國范圍內如火如荼地展開，在技術方式上也正在數字信息化、微電子化，全球的信息、能源、物資已經時時刻刻地“網絡”在一起了。然而，數字信息處理所依賴的集成電路的低電平工作特性，使得電力網絡、信息網絡也更容易在“網絡”的系統部件、終端設備上被干擾或損壞，造成能量或信息的中斷或阻塞，甚至系統癱瘓，產生不可估量的巨大損失。據美國20世紀的一項研究結果，若信息網絡故障無法提供服務，銀行僅能支撐2天，制造廠能支撐4.9天，銷售業則僅3.3天。這種情景對交通設備和系統來講也類似，不僅交通信息系統離不開網絡，離不開電路保護，更典型的是現代主要的交通工具———汽車的電氣化、電子化趨勢更加明顯。在一輛普通汽車中，發動機電噴系統、整車電控系統、防抱死系統、氣囊保護系統、導航系統等電子設備的成本已占整車成本的30%以上。上述各種電子設備在車內惡劣電磁環境下可否實現安全電路保護，對于司機和乘員的人身安全有著直接影響。對混合動力汽車、電動汽車等新型交通工具來講，電氣、電子設備的比例進一步加大，電路保護的重要性更是自不待言。從以上幾個事例可以看出，電氣、電子設備與系統可靠的電路保護對于現代社會來講是多么重要。事實上，電路保護技術不僅在工業、商業領域起著默默無聞的基礎作用，在廣大用戶熟悉的消費類電子產品中，也被廣泛地應用著。例如，手機、MP3、數碼相機、電視、音響等，其中的IC芯片、輸入/輸出線纜上均采用了大量的電路保護元器件來實現對靜電、雷擊的安全保護，給用戶使用提供了可靠的保障。

從事電氣、電子設備及其系統設計的專業人員在工作中會常遇到電路保護問題或事先進行保護設計，對各類電路故障的形成原因和表現方式并不陌生。眾所周知，電路故障突出反映在電壓、電流指標異常上，通常為過電壓、過電流兩種形式，其典型特征是電壓、電流幅值瞬間或短時內劇烈增加，同時伴隨著劇烈的電磁變化。然而，要對這些快速異常變化的電壓、電流進行準確感知，并設計出合理的措施進行有效、經濟的保護并不是一件簡單的事。比如，雷擊電壓和電流可高達上萬伏特、幾十千安培，其對電氣、電子設備和系統的危害可以通過導線、電磁感應、公共地電平抬升等多種方式進行傳播和作用，很不易準確辨識。要實現良好可靠電路安全保護，就需要結合被保護設備的結構，選擇適當的堵、截、抗等措施，并合理選擇保護器件和精心施工，才能使安全性得以提高。此外，對低電平工作電子設備危害甚大的高電壓、瞬態靜電放電現象，其危害機理和保護設計也需要認真分析、精心設計。對于熔絲、斷路器等保護元器件的選擇和使用，也存在類似的情況。特別是，由于目前不少電氣、電子產品設計人員和一些用戶對電路保護的重要性認識尚有不足，加之電路故障分析、保護器件所屬的專業領域較分散，其技術細節和實施方式差異也大，導致電路故障和保護的有關分析、研究和設計知識積累較慢，還沒有形成相對獨立、完整的系統化知識體系，而散見于防雷、防靜電、防過電流產品手冊以及企業經驗性設計等文字中，不便于電氣、電子設計工程師全面掌握和準確參考。因此，非常有必要把電路保護的有關基礎理論、常用技術及新進展較全面地總結一下，來促進電子行業的電路安全設計和生產。

當然，電路保護的最終實現要依賴于保護器件，如過電壓保護器件、過電流保護器件。這些器件所依據的物理原理多種多樣，不僅其特性好壞直接影響到產品的最終電路保護性能，這些器件自身的設計和制造也是一個重要的產業，涉及半導體工業、冶金工業、機械工業等多個部門。在一些缺少實際產品設計經驗的人員看來，這些保護器件在產品電路板上似乎沒有什么明顯作用，有時在實驗里甚至可以去掉它們，而對電路功能也沒有明顯影響，但是事實上保護器件卻是重要的、不可缺少的。國內外均有一些著名公司在此領域進行認真地研究、開發和生產。例如，美國的力特公司（Littelfuse Company）等著名生產廠，其電路保護產品線幾乎包含了全部類型的電路保護器件。我國的長三角、珠三角地區也有一些企業生產熔絲、壓敏電阻等電路保護器件。因此，從廣義上講，這些器件的設計和生產技術也是電路保護技術應該包含的一部分。

本書針對我國廣大電氣、電子產品設計工程師設計工作的需要，結合電路保護技術發展現狀，對造成電路故障的幾種主要典型現象的形成機理、傳播方式、抑制方法和措施進行了介紹，特別對通信電子產品、消費類電子產品、汽車電子的防雷、防靜電和防過電流的電路保護設計典型方案進行了介紹和分析，以利于加深讀者的理解，促進實際工作。當然，由于電路保護技術行業范圍廣泛，特別是電路保護器件的進展日新月異，本書主要對常見的電子電路、通信電子、汽車電子等系統中的電路保護技術進行介紹，未能涵蓋電路保護技術的全部內容，需要繼續深入研究的讀者請借鑒本書參考文獻和其他相關資料。