1.1 电路保护的作用和意义

在当今的工业化、信息化的时代，各式各样的电气、电子产品日新月异、层出不穷，并已广泛地应用在工业、农业、商业、交通、国防领域以及家庭日常生活等各个方面，给人们带来了巨大的经济效率和进步，使人们的生活更加方便和愉悦，电气化、电子化已成为普及全球的一个突出的特征。然而，众多的消费者在选购和使用这些电气、电子设备时，却常常忽略了其安全性和可靠性，而其实这也是产品品质的一个重要指标。一些用户甚至以为产品的安全和可靠是产品天生就有的，不需要进行设计和成本预算，而过度缩减甚至取消在产品安全性方面的支出。实际上，电气、电子产品的安全运行是其能够被广泛应用的先决条件。电气、电子产品在实际工作时不可避免地会遇到一些外界极端电磁环境的影响，如雷电（lightning）、静电（electrostatic）等恶劣工作条件造成设备损害的事例常有报道。此外，电气、电子产品自身也常会因为用户操作不当、负载故障、元器件老化等原因而形成过电流等安全故障。电气、电子设备只有具备了可抵御外界电磁危险以及防止自身故障扩大及传播的能力才能符合实际安全应用的要求，而这种安全能力的具备只有通过合理的电路保护设计才能实现。

电气、电子设备和产品开发设计的重要内容之一就是安全性、可靠性设计。电路保护技术的本质就是针对电气、电子产品乃至系统的内外部典型危害和故障，设计、制造保护器件，并结合所应用的设备或系统进行保护器件和保护方案的设计和优化，实现电气、电子设备及系统安全的一种有效措施。因此，电路保护技术是电气、电子设备和系统不可或缺的设计环节和构成要素。

特别是20世纪80年代以来，电信事业、电力工业、交通运输业飞速发展，电信网络、计算机网络、电力网络、汽车电子的建设和更新不仅已在全国范围内如火如荼地展开，在技术方式上也正在数字信息化、微电子化，全球的信息、能源、物资已经时时刻刻地“网络”在一起了。然而，数字信息处理所依赖的集成电路的低电平工作特性，使得电力网络、信息网络也更容易在“网络”的系统部件、终端设备上被干扰或损坏，造成能量或信息的中断或阻塞，甚至系统瘫痪，产生不可估量的巨大损失。据美国20世纪的一项研究结果，若信息网络故障无法提供服务，银行仅能支撑2天，制造厂能支撑4.9天，销售业则仅3.3天。这种情景对交通设备和系统来讲也类似，不仅交通信息系统离不开网络，离不开电路保护，更典型的是现代主要的交通工具———汽车的电气化、电子化趋势更加明显。在一辆普通汽车中，发动机电喷系统、整车电控系统、防抱死系统、气囊保护系统、导航系统等电子设备的成本已占整车成本的30%以上。上述各种电子设备在车内恶劣电磁环境下可否实现安全电路保护，对于司机和乘员的人身安全有着直接影响。对混合动力汽车、电动汽车等新型交通工具来讲，电气、电子设备的比例进一步加大，电路保护的重要性更是自不待言。从以上几个事例可以看出，电气、电子设备与系统可靠的电路保护对于现代社会来讲是多么重要。事实上，电路保护技术不仅在工业、商业领域起着默默无闻的基础作用，在广大用户熟悉的消费类电子产品中，也被广泛地应用着。例如，手机、MP3、数码相机、电视、音响等，其中的IC芯片、输入/输出线缆上均采用了大量的电路保护元器件来实现对静电、雷击的安全保护，给用户使用提供了可靠的保障。

从事电气、电子设备及其系统设计的专业人员在工作中会常遇到电路保护问题或事先进行保护设计，对各类电路故障的形成原因和表现方式并不陌生。众所周知，电路故障突出反映在电压、电流指标异常上，通常为过电压、过电流两种形式，其典型特征是电压、电流幅值瞬间或短时内剧烈增加，同时伴随着剧烈的电磁变化。然而，要对这些快速异常变化的电压、电流进行准确感知，并设计出合理的措施进行有效、经济的保护并不是一件简单的事。比如，雷击电压和电流可高达上万伏特、几十千安培，其对电气、电子设备和系统的危害可以通过导线、电磁感应、公共地电平抬升等多种方式进行传播和作用，很不易准确辨识。要实现良好可靠电路安全保护，就需要结合被保护设备的结构，选择适当的堵、截、抗等措施，并合理选择保护器件和精心施工，才能使安全性得以提高。此外，对低电平工作电子设备危害甚大的高电压、瞬态静电放电现象，其危害机理和保护设计也需要认真分析、精心设计。对于熔丝、断路器等保护元器件的选择和使用，也存在类似的情况。特别是，由于目前不少电气、电子产品设计人员和一些用户对电路保护的重要性认识尚有不足，加之电路故障分析、保护器件所属的专业领域较分散，其技术细节和实施方式差异也大，导致电路故障和保护的有关分析、研究和设计知识积累较慢，还没有形成相对独立、完整的系统化知识体系，而散见于防雷、防静电、防过电流产品手册以及企业经验性设计等文字中，不便于电气、电子设计工程师全面掌握和准确参考。因此，非常有必要把电路保护的有关基础理论、常用技术及新进展较全面地总结一下，来促进电子行业的电路安全设计和生产。

当然，电路保护的最终实现要依赖于保护器件，如过电压保护器件、过电流保护器件。这些器件所依据的物理原理多种多样，不仅其特性好坏直接影响到产品的最终电路保护性能，这些器件自身的设计和制造也是一个重要的产业，涉及半导体工业、冶金工业、机械工业等多个部门。在一些缺少实际产品设计经验的人员看来，这些保护器件在产品电路板上似乎没有什么明显作用，有时在实验里甚至可以去掉它们，而对电路功能也没有明显影响，但是事实上保护器件却是重要的、不可缺少的。国内外均有一些著名公司在此领域进行认真地研究、开发和生产。例如，美国的力特公司（Littelfuse Company）等著名生产厂，其电路保护产品线几乎包含了全部类型的电路保护器件。我国的长三角、珠三角地区也有一些企业生产熔丝、压敏电阻等电路保护器件。因此，从广义上讲，这些器件的设计和生产技术也是电路保护技术应该包含的一部分。

本书针对我国广大电气、电子产品设计工程师设计工作的需要，结合电路保护技术发展现状，对造成电路故障的几种主要典型现象的形成机理、传播方式、抑制方法和措施进行了介绍，特别对通信电子产品、消费类电子产品、汽车电子的防雷、防静电和防过电流的电路保护设计典型方案进行了介绍和分析，以利于加深读者的理解，促进实际工作。当然，由于电路保护技术行业范围广泛，特别是电路保护器件的进展日新月异，本书主要对常见的电子电路、通信电子、汽车电子等系统中的电路保护技术进行介绍，未能涵盖电路保护技术的全部内容，需要继续深入研究的读者请借鉴本书参考文献和其他相关资料。