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開關電源雷擊浪涌的產生與防護

來源: 發布時間:2017-12-05 09:30:48 次瀏覽

雷擊浪涌的產生
雷擊浪涌在開關電源中的流通回路的分析(共模信號與差模信號)
一種防雷擊浪涌的開關電源電路的設計。

雷擊浪涌電路的人工產生與防雷擊浪涌的電路的可靠性測試。
 

雷擊浪涌的產生
雷擊是指帶電云層之間或帶電云層和地面之問相互靠近產生的一種放電現象。這個放電過程會產生強烈的閃電和巨大的聲響,并伴隨大量的能量傳遞。雷擊的形式主要有3種:直擊雷、傳導雷和感應雷。      隨著對雷電形成機體的了解和深入的研究,人們已經對直擊雷和傳導雷的災害性破壞有較好的防護措施,但間接雷(如云層內、云層間的雷擊,或鄰近物體遭到的雷擊)仍然可以在戶外架空線上感應出浪涌電壓和電流。此外,大型電力開關切換時.也會在供電線路上感應出大的浪涌電壓和電流:電磁兼容領域所指的浪涌一般來源于此雷擊瞬態和開關瞬態。  
 

2電子產品的浪涌(雷擊)損壞機理
2.1 浪涌(雷擊)進入電子設備的途徑    
   雷擊電子設備的途徑可分為兩種情況:1)高能雷電沖擊波通過戶外傳輸線路、設備間的連接線以及電力線侵人設備.使串接在線路中間或終端的電子設備遭到損害;2)雷擊大地或接地導體,引起局部瞬間地電位上升.波及附近的電子設備,對設備產生沖擊,損害其對地絕緣。
2.2 電子設備的浪涌損壞機理      
一般浪涌脈沖的上升時間較長,脈寬較寬,不含有較高的頻率成分,多通過傳導方式進入設備內部??v向(共模)沖擊對設備平衡電路元部件的影響有:損壞跨接在線與地問的元部件或其絕緣介質:擊穿在線路和設備間起阻抗匹配作用的變壓器匝間、層問或線對地絕緣等。橫向(差模)沖擊則同樣可在電路中傳輸.損壞內部電路的電容 電感及耐沖擊能力差的半導體器件。設備中元部件遭受浪涌損壞的程度.取決于該部件的絕緣水平及沖擊的強度:對具有自恢復能力的絕緣,擊穿只是暫時的.一旦沖擊消失,絕緣很快便得到恢復。有些非自恢復的絕緣介質,如果擊穿后只流過很小電流.常不會立即中斷設備的運行,但隨時間的推移.元部件受潮絕緣會逐漸地下降,電路特性變壞,最后將使電路中斷。有的部件,如晶體管的集電極與發射極或發射擻與基極,若發生反向擊穿.常出現永久性損壞 對易受能量損壞的元器件.受損壞程度主要取決于流過其上的電流及持續時間
3 浪涌(雷擊)的綜合防護 
3.1建筑物的雷擊防護 
    

按照防護范圍可將電子產品的防護措施分為兩類,外部防護和內部防護。外部防護是指對安裝電子產品的建筑物本體的安全防護,可采用避雷針、分流、屏蔽網、均衡電位、接地等措施。對這些防護措施人們比較重視,應用也比較普遍,相對來說比較完善。內部防護是指在建筑物內部電子產品對過電壓(雷電或電源系統內部過電壓)的防護,其措施有:等電位連接、屏蔽、保護隔離、合理布線和使用過電壓保護器等措施。
3.2 電子產品的浪涌抑制方式      
以上介紹的浪涌(雷擊)防護措施原則上可以將電子產品遭受浪涌(雷擊)損害的可能性大大減低,為電子產品提供一個相對安全的使用環境。但僅靠這些措施要想保證電子產品免遭浪涌沖擊還是不夠的,只有同時提高電子產品本身對(雷擊)浪涌的抵抗能力,才能形成一個完整的綜合浪涌防護體系。浪涌沖擊主要通過交直流電源和與室外連接的信號/控制線以傳導方式進入電子產品內部,對產品形成危害。要有效地防止浪涌沖擊對產品的危害,就必須在產品的交直流電源端口和信號/控制端口安裝浪涌抑制器件,對浪涌沖擊加以吸收,阻止其進入產品內部對電路形成危害。     
雷擊浪涌的最大特點是能量特別大,所以采用普通濾波器和鐵氧體磁芯來濾波、吸收的方案基本無效,必須使用氣體放電管、壓敏電阻、硅瞬變吸收二極管和半導體放電管等專門的浪涌抑制器件才行。浪涌抑制器件基本的使用方法是直接將浪涌吸收器件與被保護設備并聯,以便對超過設備承受能力的浪涌電壓進行吸收或能量轉移。浪涌抑制器件的一個共同特性就是其阻抗在有浪涌電壓出現時與沒浪涌電壓時不同。正常電壓下,它的阻抗很高,對電路的工作沒有影響,而當有很高的浪涌電壓加在它上面時,它的阻抗變得很低,將浪涌能量旁路掉。這類器件的使用方法是并聯在線路與參考地之間,當浪涌電壓出現時迅速導通,以將電壓幅度限制在一定的數值上。
壓敏電阻、瞬態抑制二極管和氣體放電管具有不同的伏安特性,因此浪涌通過它們時發生的變化不同。如圖1所示,對浪涌通過這3種器件時的變化進行了比較。 
 

4 常見的浪涌抑制器件特點及應用
4.1 金屬氧化物壓敏電阻(MOV)      
壓敏電阻由金屬氧化物(主要是氧化鋅)材料組成,屬箝位型器件,其特性與兩只背對背聯接的穩壓管非常相似,有著毫微秒級的響應速度。壓敏電阻對瞬變信號的吸收能力與其體積成正比:其厚度正比于電壓;面積正比于電流。壓敏電阻是目前在電子產品中使用最廣泛的浪涌抑制器件。當壓敏電阻上的電壓超過一定幅度時,電阻的阻值大幅度降低,從而將浪涌能量泄放掉。在浪涌電壓作用下,導通后的壓敏電阻上的電壓(一般稱為箝位電壓),等于流過壓敏電阻的電流乘以壓敏電阻的阻值,因此在浪涌電流的峰值處箝位電壓達到最高。    4.1.1壓敏電阻的特點:     
 a)優點:電壓范圍很寬,可從幾伏到幾千伏;吸收浪涌電流可從幾十到幾千安培,反應速度快,無極性,無續流,峰值電流承受能力較大,價格低。      b)缺點:鉗位電壓較高,一般可以達到工作電壓的2~3倍;而且,隨著受到浪涌沖擊次數的增加,漏電流增加;另外,響應時間較長,寄生電容較大。      c)適用場合:直流電源線、低頻信號線,或者與氣體放電管串聯起來用在交流電源線上。
 4.1.2壓敏電阻的選擇      a)從抑制瞬變干擾的角度出發,壓敏電壓要盡量降低以接近被保護電路的工作電壓;從提高元件壽命來看,又要拉開兩者差距。一般折衷的選取方案為:對交流工作電路,壓敏電壓值為工作電壓的2.2倍;對直流工作電路,壓敏電壓值為工作電壓的1.5倍。      b)通流量的選?。涸趯嶋H應用中,壓敏電阻所吸收的最大浪涌電流應小于它的最大通流量。對同一應用場合,當最大通流量增加一倍,壓敏電阻的壽命也同步增加一倍。
4.2硅瞬變電壓吸收二極管(TVS)     
 TVS為電壓箝位型工作方式,亞納秒級的響應速度。TVS有多種封裝方式,可滿足不同場合的需要。當TVS上的電壓超過一定的幅度時,器件迅速導通.通過PN結反向過壓雪崩擊穿將浪涌能量泄放掉。由于這類器件導通后阻抗很小,因此它的箝位電壓很平坦,并且很接近工作電壓。
4.2.1硅瞬變電壓吸收二極管的特點     a)優點:響應時間短,漏電流小,擊穿電壓偏差小。箝位電壓低(相對于工作電壓),動作精度高,無跟隨電流(續流),體積小,每次經受瞬變電壓后其性能不會下降,可靠性高。      b)缺點:由于所有功率都耗散在二極管的PN結上,因此它所承受的功率值較小,允許流過的電流較小。一般的TVS器件的寄生電容較大,如在高速數據線上使用。要用特制的低電容器件,但是低電容器件的額定功率往往較小。      c)適用場合:浪涌能量較小的場合。如果浪涌能量較大。要與其它大功率浪涌抑制器件一同使用,則把它作為后級防護。
4.2.2硅瞬變電壓吸收二極管的選擇      
a)最大箝位電壓VCMAX應不大于電流的最大允許安全電壓。      b)最大反向工作電壓VRWM應不低于電路的最大工作電壓。一般略高于電路的工作電壓。      c)TVS額定的最大脈沖功率必須大于電路中出現的最大瞬態浪涌功率。      d)對小電流負載的保護,可在二極管之前串接適當的限流電阻。從而可選用小的峰值吸收功率的TVS來擔任這一功能。 4.3氣體放電管      氣體放電管采用陶瓷密閉封裝,內部由兩個或數個帶間隙的金屬電極,充以惰性氣體(氬氣或氖氣)構成。當加到兩電極端的電壓達到使氣體放電管內的氣體擊穿時,氣體放電管便開始放電,器件變為短路狀態,使電極兩端的電壓不超過擊穿電壓。氣體放電管一旦導通后,它兩端的電壓會很低。氣體放電管有兩極和三極之分,可分別用于線間和線一地間的保護。
4.3氣體放電管    
  氣體放電管采用陶瓷密閉封裝,內部由兩個或數個帶間隙的金屬電極,充以惰性氣體(氬氣或氖氣)構成。當加到兩電極端的電壓達到使氣體放電管內的氣體擊穿時,氣體放電管便開始放電,器件變為短路狀態,使電極兩端的電壓不超過擊穿電壓。氣體放電管一旦導通后,它兩端的電壓會很低。氣體放電管有兩極和三極之分,可分別用于線間和線一地間的保護。 4.3.1氣體放電管的特點

a)優點:承受電流大,絕緣電阻高,漏電流小,寄生電容小。     

b)缺點:點火電壓高,殘壓較高,反應時間慢(≥100 ns),動作電壓精度較低,會慢性漏氣、有光敏效應、離散性大。有跟隨電流(續流)。若跟隨電流的時間較長,會導致放電管觸點迅速燒毀,從而縮短放電管的壽命。     

c)適用場合:信號線或工作電壓低于導通維持電壓的直流電源線上(一般低于10 V);與壓敏電阻組合起來用在交流電源線上。它具有很強的沖擊電流吸收能力。但有著較高的起弧電壓,所以比較適合做一級粗保護。
4.3.2氣體放電管的選擇      
在直流電路中氣體放電管的標稱電壓選擇為工作電壓的1.8倍:在交流電路中選擇為工作電壓有效值的2.5倍。氣體放電管標稱電流容量應大于被保護電路的可能最大浪涌沖擊容量。      由于有跟隨電流(續流),氣體放電管一般不可使用在直流電路中,除非直流工作電壓低于氣體放電管的擊穿維持電壓。
4.4 其它浪涌吸收器件
    4.4.1固體放電管 是一種新的瞬變電壓吸收器件,與氣體放電管一樣同屬能量轉移型保護器件,但性能更理想。如通態壓降僅3 V左右,接近短路;納秒級的響應速度;動作電壓穩定;使用壽命長;能雙方向吸收正/負極性的瞬變電壓。     
固體放電管有一定的結電容;在脈沖狀態下觸發電壓較直流擊穿電壓稍有提高(如200 V的管子其脈沖觸發電壓為350 V),比氣體放電管要好得多。      固體放電管的失效模式是短路.其意義在于不會使故障擴大。也便于值班人員及時發現故障和處理故障。
4.4.2 晶閘管型防護器件     
晶閘管型防護器件有兩種:  a)控制柵極型雙向三端器件, 如SCR、TRLAO等。因為大多數電源電路的輸出端都有電壓過載保護,用一個電平觸發SCR的控制柵極將輸出短路而中斷供電。響應時間約100 IXs,這對電壓敏感的器件有可能造成損壞,它的優點是耐電流量大。缺點是點火電壓易變化,響應時間慢。      b)控制維持電流型雙向兩端器件。由PNPNP五層組成,其結構是在單芯片上逆向并聯組成的復合器件。該器件還具有響應速率快、不需多級防護電路、耐電流量大、靜電容量小、可靠性高等優點,特別適用于防護雷電浪涌。  
4.5氣體放電管和壓敏電阻組合應用      
氣體放電管和壓敏電阻都不適合單獨在交流電源線上使用。一個實用的方案是將氣體放電管與壓敏電阻串聯起來使用。如果同時在壓敏電阻上并聯一個電容,浪涌電壓到來時,可以更快地將電壓加到氣體放電管上??s短導通時間。這種氣體放電管與壓敏電阻的組合除了可以避免上述缺點以外.還有一個好處就是可以降低限幅電壓值??梢允褂脤妷狠^低的壓敏電阻,從而可以降低限幅電壓值。      該連接方式對浪涌電壓的抑制作用如圖2所示。      采用組合式保護方案能發揮不同保護器件的各自特點,從而取得最好的保護效果
5 電子產品浪涌防護設計 
    產品的浪涌抵抗能力要通過浪涌(沖擊)抗擾度測試來檢驗。該測試項目適用于電氣和電子設備在規定的工作狀態下工作時。對由開關或雷電作用所產生的有一定危害電平的浪涌(沖擊)電壓的反應。該測試項目適用于由公共供電網絡供電的電子電氣設備的交流電源端1:3測試。也適用于有室外電線、電纜連接的電源、控制、信號端口的測試。施加方式有共模和差模兩種方式.因此,產品設計中就需要針對這些端口的共/差模浪涌采取相應的抑制措施。
 5.1電源端口的浪涌抑制 
    一個理想的交流電源浪涌抑制方案如圖3所示。它充分利用不同吸收器件各自的優點。 
理想工作狀態是:當浪涌到來時。TVS首先起動。會把瞬間過電壓精確控制在一定的水平;如果浪涌電流大。則壓敏電阻接著起動,并泄放一定的浪涌電流;兩端的電壓會有所提高,直至推動前級氣體放電管的放電。把大電流泄放到地。該電路匯集動作快、限壓低和放電能力強的優點。中間的濾波電感起高頻濾波(吸收浪涌脈沖的前沿高頻能量)和級間隔離的作用。
對220 V/50 Hz的交流電源系統,第三級TVS可取380 V額定電壓產品.第二級的壓敏電阻可取470 V額定電壓產品。第一級氣體放電管選550 V額定電壓產品.第一級壓敏電阻可選400 V額定電壓產品。為了減少前級氣體放電管反映時間,可以在前級壓敏電阻上并聯一個1 000 pF到10 000 pF的高頻電容。      
第一保護電路的電流容量應大于電路可能承受的最大電流容量。第二級、第三級保護電路的浪涌電流容量可以逐級遞減。對浪涌電壓不需太高測試等級的產品,可以省略第一級的氣體放電管和壓敏電阻串聯電路以及相應的級間隔離電感。對保護器殘壓不敏感的產品,可以省略第三級的TVS保護電路及相應的級間隔離電感。由于TVS吸流能力有限,一般不單獨在交流電源端口使用。該剪裁不影響上面舉例的保護器件額定電壓的選擇,但是保護電路的電流容量應相應地變化。  對于直流電源端口,一般總有一極接地,我們可以采取如圖4所示的組合保護電路。該電路只是對圖3的適當剪裁,工作原理相同。 
此保護電路有一點需要注意:若被測設備需耐受的浪涌電流不是很大,建議盡量不要使用第一級的氣體放電管;若直流電路工作電壓大于10 V,第一級氣體放電管不可使用。此時可通過提高第二級壓敏電阻的電流容量來滿足設備的浪涌等級要求。對保護器殘壓不敏感的產品,可以省略第三級的TVS保護電路。      在此電路中,氣體放電管的額定電壓應大于等于工作電壓的1.8倍,壓敏電阻的額定電壓應大于等于工作電壓的1.5倍。最前級保護元件的電流容量應大于最大浪涌電流。后級保護電路的電流容量可以逐級遞減。 5.2 通信端口的浪涌抑制      通信接口的浪涌抑制電路的技術要求較高,因為除了滿足浪涌防護要求外,還須保證傳輸指標符合要求。加上與通信線路相連的設備耐壓很低,對浪涌殘壓要求嚴格,因此在選擇防護器件時較困難。理想的浪涌抑制電路應是電容小、殘壓低、通流大、響應快 
如圖5所示,通信接El組合保護電路其實是圖4的變形,只是為滿足通信接口的高速信號傳遞的要求,將圖4的高頻濾波電感換成了PTC型的自恢復保險絲。該PTC在正常工作阻抗近似為零,對通信線路無任何不良影響,當浪涌到達時,TVS和壓敏電阻導通,大的浪涌電流通過PTC,PTC發熱后變為高阻狀態,從而分壓了大的浪涌電壓,保護了后續的浪涌抑制元件和通信電路;當浪涌消失后,PTC溫度下降,恢復正常的低阻狀態,通信電路還原到正常狀態。若通信電路對接口阻抗要求較寬,可以用低阻抗電阻代替PTC,以降低線路成本。此電路適用于非平衡傳輸的單路通信接口。對平衡傳輸的通信接口,T2通道也應如Tl通道對稱加上PTC。若為多路通信接口,每路的保護電路均與此相同。對平衡傳輸的通信接口來說,當設備為金屬外殼時,還需考慮設備與外殼地之間的浪涌沖擊,各通信線對地的保護電路與圖5電路相同,只需將T2換成外殼地即可。各保護元件的額定電壓應與通信接口的正常工作電壓的峰值相適應,通流電流應與最大浪涌電流相適應。    
 此保護電路需要注意的是:若通信接口電路中含有絕對值超過l0 V的直流信號(如電話網絡含有48 V直流),氣體放電管不可用;壓敏電阻電容較大,只適用于音頻通信信號傳輸。對不含直流的高頻接口保護電路,可取消第二級的壓敏電阻,這種保護電路大約可到幾十MHz的頻率(若通信電路含有直流,應選用滅弧電壓高于工作直流的氣體放電管;或保護電路僅由PTC與TVS組成,此時浪涌保護能力較低)。更高頻率的保護就主要是采用放電管了,否則很難滿足傳輸要求。
 5.3 天線端口的浪涌抑制      
天線端口是一類非常容易遭受浪涌損壞的接口。無線通訊設備的外接天線端口一般需要與室外高處的天線連接以實現無線信號的收發.AV產品的天線端口也會與室外天線或CATV系統連接,這些接口都與室外引線連接。盡管室外高處的天線一般都應有避雷針保護,進入室內后都還有前級(雷擊)浪涌保護器保護。但是,一方面避雷針和保護器未必保護得很到位(這些保護措施失效也很難被產品用戶發現,一般是出現浪涌對產品破壞之后才發現保護早已失效);另一方面,這些室外天線很可能由用戶自行安裝(如農村的室外電視天線),保護措施缺失;另外,產品的天線均為長期連接,除非產品移動,一般連接好后,不會經常斷開。這些特點決定了產品天線端口很容易遭受浪涌的沖擊,不幸的是.與產品天線端口相連的電路都是對浪涌非常敏感的低壓電子電路,因此,對天線端口的浪涌保護非常必要。 
射頻同軸天線端口組合保護電路如圖6所示。該電路前級保護電路由氣體放電管構成,后級保護電路由TVS與高頻扼流電感L構成。加入電感L的目的是防止天線上高頻信號被TVS極間電容短路到地。為減少保護電路的高頻衰減.去掉了級間隔離電阻。這種保護電路的工作頻率上限可達2GHz。若天線端口含有直流(如給前級天線放大器供電),應選用滅弧電壓高于工作直流的氣體放電管。也有保護電路采用高通濾波器.因浪涌的能量頻譜集中在幾十赫茲到一兆赫茲之間,其能量主要集中在數十千赫茲以下,相對于天線端口的高頻工作頻率很低,可通過高通濾波器將浪涌從工作信號中分離加以吸收。對于點頻通信天線也可采用四分之一波長的短路線構成帶通濾波器,防雷效果更好。但這兩種方法都會將天線上傳送的直流短路,其應用范圍有限。
5.4 其它信號/控制端口的浪涌抑制  
對其它信號腔制端口,若端口接線來自室外或線長超過一定的長度.則相應端口就有遭受感應的浪涌沖擊損壞的危險.也需要采取相應的浪涌抑制措施。若工作信號為直流電平,其浪涌抑制方式可參考直流電源端口的浪涌抑制方式進行設計即可;若工作信號為中低頻信號,其浪涌抑制方式可參考通信端口的浪涌抑制方式進行設計;若工作信號為高頻信號,其浪涌抑制方式可參考天線端子的浪涌抑制方式進行設計。   
但需要注意的是,若端口是由變壓器或光耦隔離的,為防止變壓器或光耦因浪涌擊穿,除接口線線間需要浪涌抑制外,接口線對產品的接地端之間也應有相應的浪涌抑制電路。為保證內外電路的電氣隔離,此處只可采用氣體放電管進行浪涌抑制。為保證氣體放電管浪涌擊穿后能正常滅?。儔浩骰蚬怦罡綦x的兩端應無大于10 V的直流電位差。
 5.5 地線反彈的抑制      
當并聯型的浪涌抑制器發揮作用時.它將浪涌能量旁路到地線上。由于地線都是有一定阻抗的。因此當電流流過地線時,地線上會有電壓。這種現象一般稱為地線反彈。當浪涌抑制器的地與設備的地不在同一點,設備的線路實際上沒有受到保護.較高的浪涌電壓仍然加到了設備的電源線與地之間。解決辦法是在線路(地)與設備的外殼(地)之間再并聯一只浪涌抑制器,或將兩地選擇在同一點。受到保護的設備與其他設備連接在一起。由于地線反彈的原因,另一臺設備就要承受共模電壓。 這個共模電壓會出現在所有連接設備1(受保護設備)與設備2(未保護設備)的電纜上。解決的方法是在互連電纜的設備2一端安裝浪涌抑制器。
6 結束語      
隨著半導體器件的集成度的提高和廣泛使用,電子產品變得越來越脆弱,對浪涌沖擊的抵抗能力越來越低。為保障電子產品的安全,就應了解浪涌侵入產品的途徑和破壞的機理,并找到相應的對策,以提高產品的浪涌抵抗能力。本文就浪涌破壞機理、浪涌抑制對策、產品抗浪涌設計方面的問題進行了一些探討.并對不同的浪涌對策器件進行了多方面介紹.以方便產品設計者參考和選擇。

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