开关电源雷击浪涌的发生与防护雷击浪涌的发生
雷击浪涌在开关电源中的流转回路的剖析(共模信号与差模信号)
一种防雷击浪涌的开关电源电路的规划。
雷击浪涌电路的人工发生与防雷击浪涌的电路的可靠性测验。
雷击浪涌的发生
雷击是指带电云层之间或带电云层和地上之问彼此挨近发生的一种放电现象。这个放电进程会发生激烈的闪电和巨大的动静，并随同很多的能量传递。雷击的办法首要有3种：直击雷、传导雷和感应雷。 跟着对雷电构成机体的了解和深化的研讨，人们现已对直击雷和传导雷的灾害性损坏有较好的防护办法，但直接雷(如云层内、云层间的雷击，或邻近物体遭到的雷击)依然能够在野外架空线上感应出浪涌电压和电流。此外，大型电力开关切换时.也会在供电线路上感应出大的浪涌电压和电流：电磁兼容范畴所指的浪涌一般来历于此雷击瞬态和开关瞬态。
2 电子产品的浪涌(雷击)损坏机理
2.1 浪涌(雷击)进入电子设备的途径
雷击电子设备的途径可分为两种状况：1)高能雷电冲击波经过野外传输线路、设备间的衔接线以及电力线侵人设备.使串接在线路中心或终端的电子设备遭到损害;2)雷击大地或接地导体，引起部分瞬间地电位上升.涉及邻近的电子设备，对设备发生冲击，损害其对地绝缘。
2.2 电子设备的浪涌损坏机理
一般浪涌脉冲的上升时刻较长，脉宽较宽，不含有较高的频率成分，多经过传导办法进入设备内部。纵向(共模)冲击对设备平衡电路元部件的影响有：损坏跨接在线与地问的元部件或其绝缘介质：击穿在线路和设备间起阻抗匹配作用的变压器匝间、层问或线对地绝缘等。横向(差模)冲击则相同可在电路中传输.损坏内部电路的电容 电感及耐冲击才干差的半导体器材。设备中元部件遭受浪涌损坏的程度.取决于该部件的绝缘水平及冲击的强度：对具有自康复才干的绝缘，击穿仅仅暂时的.一旦冲击消失，绝缘很快便得到康复。有些非自康复的绝缘介质，假如击穿后只流过很小电流.常不会当即中止设备的运转，但随时刻的推移.元部件受潮绝缘会逐步地下降，电路特性变坏，最终将使电路中止。有的部件，如晶体管的集电极与发射极或发射擞与基极，若发生反向击穿.常呈现永久性损坏 对易受能量损坏的元器材.受损坏程度首要取决于流过其上的电流及持续时刻。
3 浪涌(雷击)的归纳防护
3.1建筑物的雷击防护
依照防护规模可将电子产品的防护办法分为两类，外部防护和内部防护。外部防护是指对装置电子产品的建筑物本体的安全防护，可选用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等办法。对这些防护办法人们比较注重，运用也比较遍及，相对来说比较完善。内部防护是指在建筑物内部电子产品对过电压(雷电或电源体系内部过电压)的防护，其办法有：等电位衔接、屏蔽、维护阻隔、合理布线和运用过电压维护器等办法。
3.2 电子产品的浪涌按捺办法
以上介绍的浪涌(雷击)防护办法原则上能够将电子产品遭受浪涌(雷击)损害的或许性大大减低，为电子产品供给一个相对安全的运用环境。但仅靠这些办法要想确保电子产品免遭浪涌冲击仍是不行的，只要一起进步电子产品自身对(雷击)浪涌的反抗才干，才干构成一个完好的归纳浪涌防护体系。浪涌冲击首要经过交直流电源和与室外衔接的信号/操控线以传导办法进入电子产品内部，对产品构成损害。要有效地避免浪涌冲击对产品的损害，就有必要在产品的交直流电源端口和信号/操控端口装置浪涌按捺器材，对浪涌冲击加以吸收，阻挠其进入产品内部对电路构成损害。
雷击浪涌的最大特色是能量特别大，所以选用一般滤波器和铁氧体磁芯来滤波、吸收的计划根本无效，有必要运用气体放电管、压敏电阻、硅瞬变吸收二极管和半导体放电管等专门的浪涌按捺器材才行。浪涌按捺器材根本的运用办法是直接将浪涌吸收器材与被维护设备并联，以便对超越设备接受才干的浪涌电压进行吸收或能量转移。浪涌按捺器材的一个一起特性便是其阻抗在有浪涌电压呈现时与没浪涌电压时不同。正常电压下，它的阻抗很高，对电路的作业没有影响，而当有很高的浪涌电压加在它上面时，它的阻抗变得很低，将浪涌能量旁路掉。这类器材的运用办法是并联在线路与参阅地之间，当浪涌电压呈现时敏捷导通，以将电压起伏约束在必定的数值上。
压敏电阻、瞬态按捺二极管和气体放电管具有不同的伏安特性，因而浪涌经过它们时发生的改变不同。如图1所示，对浪涌经过这3种器材时的改变进行了比较。
4 常见的浪涌按捺器材特色及运用
4.1 金属氧化物压敏电阻(MOV)
压敏电阻由金属氧化物(首要是氧化锌)资料组成，属箝位型器材，其特性与两只背对背联接的稳压管十分类似，有着毫微秒级的呼应速度。压敏电阻对瞬变信号的吸收才干与其体积成正比：其厚度正比于电压;面积正比于电流。压敏电阻是现在在电子产品中运用最广泛的浪涌按捺器材。当压敏电阻上的电压超越必定起伏时，电阻的阻值大起伏下降，然后将浪涌能量泄放掉。在浪涌电压作用下，导通后的压敏电阻上的电压(一般称为箝位电压)，等于流过压敏电阻的电流乘以压敏电阻的阻值，因而在浪涌电流的峰值处箝位电压抵达最高。 4.1.1压敏电阻的特色：
a)长处：电压规模很宽，可从几伏到几千伏;吸收浪涌电流可从几十到几千安培，反响速度快，无极性，无续流，峰值电流接受才干较大，价格低。 b)缺陷：钳位电压较高，一般能够抵达作业电压的2～3倍;而且，跟着遭到浪涌冲击次数的添加，漏电流添加;别的，呼应时刻较长，寄生电容较大。 c)适用场合：直流电源线。
4.1.2压敏电阻的挑选
a)从按捺瞬变搅扰的视点动身，压敏电压要尽量、低频信号线，或许与气体放电管串联起来用在沟通电源线上。
下降以挨近被维护电路的作业电压;从进步元件寿数来看，又要摆开两者距离。一般折衷的选取计划为：对沟通作业电路，压敏电压值为作业电压的2.2倍;对直流作业电路，压敏电压值为作业电压的1.5倍。 b)通流量的选取：在实践运用中，压敏电阻所吸收的最大浪涌电流应小于它的最大通流量。对同一运用场合，当最大通流量添加一倍，压敏电阻的寿数也同步添加一倍。
4.2硅瞬变电压吸收二极管(TVS)
TVS为电压箝位型作业办法，亚纳秒级的呼应速度。TVS有多种封装办法，可满意不同场合的需求。当TVS上的电压超越必定的起伏时，器材敏捷导通.经过PN结反向过压雪崩击穿将浪涌能量泄放掉。因为这类器材导通后阻抗很小，因而它的箝位电压很平整，而且很挨近作业电压。
4.2.1硅瞬变电压吸收二极管的特色 a)长处：呼应时刻短，漏电流小，击穿电压误差小。箝位电压低(相关于作业电压)，动作精度高，无跟从电流(续流)，体积小，每次饱尝瞬变电压后其功用不会下降，可靠性高。 b)缺陷：因为一切功率都耗散在二极管的PN结上，因而它所接受的功率值较小，答应流过的电流较小。一般的TVS器材的寄生电容较大，如在高速数据线上运用。要用特制的低电容器材，可是低电容器材的额外功率往往较小。 c)适用场合：浪涌能量较小的场合。假如浪涌能量较大。要与其它大功率浪涌按捺器材一起运用，则把它作为后级防护。
4.2.2硅瞬变电压吸收二极管的挑选
a)最大箝位电压VCMAX应不大于电流的最大答应安全电压。 b)最大反向作业电压VRWM应不低于电路的最大作业电压。一般略高于电路的作业电压。 c)TVS额外的最大脉冲功率有必要大于电路中呈现的最大瞬态浪涌功率。 d)对小电流负载的维护，可在二极管之前串接恰当的限流电阻。然后可选用小的峰值吸收功率的TVS来担任这一功用。 4.3气体放电管 气体放电管选用陶瓷密闭封装，内部由两个或数个带空隙的金属电极，充以惰性气体(氩气或氖气)构成。当加到两电极点的电压抵达使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管便开端放电，器材变为短路状况，使电极两头的电压不超越击穿电压。气体放电管一旦导通后，它两头的电压会很低。气体放电管有南北极和三极之分，可分别用于线间和线一地间的维护。
4.3气体放电管
气体放电管选用陶瓷密闭封装，内部由两个或数个带空隙的金属电极，充以惰性气体(氩气或氖气)构成。当加到两电极点的电压抵达使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管便开端放电，器材变为短路状况，使电极两头的电压不超越击穿电压。气体放电管一旦导通后，它两头的电压会很低。气体放电管有南北极和三极之分，可分别用于线间和线一地间的维护。
4.3.1气体放电管的特色
a)长处：接受电流大，绝缘电阻高，漏电流小，寄生电容小。 b)缺陷：焚烧电压高，残压较高，反响时刻慢(≥100 ns)，动作电压精度较低，会缓慢漏气、有光敏效应、离散性大。有跟从电流(续流)。若跟从电流的时刻较长，会导致放电管触点敏捷焚毁，然后缩短放电管的寿数。 c)适用场合：信号线或作业电压低于导通保持电压的直流电源线上(一般低于10 V);与压敏电阻组合起来用在沟通电源线上。它具有很强的冲击电流吸收才干。但有着较高的起弧电压，所以比较合适做一级粗维护。
4.3.2气体放电管的挑选
在直流电路中气体放电管的标称电压挑选为作业电压的1.8倍：在沟通电路中挑选为作业电压有效值的2.5倍。气体放电管标称电流容量应大于被维护电路的或许最大浪涌冲击容量。 因为有跟从电流(续流)，气体放电管一般不行运用在直流电路中，除非直流作业电压低于气体放电管的击穿保持电压。
4.4 其它浪涌吸收器材
4.4.1固体放电管
固体放电管是一种新的瞬变电压吸收器材，与气体放电管相同同属能量转移型维护器材，但功用更抱负。如通态压降仅3 V左右，挨近短路;纳秒级的呼应速度;动作电压安稳;运用寿数长;能双方向吸收正/负极性的瞬变电压。
固体放电管有必定的结电容;在脉冲状况下触发电压较直流击穿电压稍有进步(如200 V的管子其脉冲触发电压为350 V)，比气体放电管要好得多。 固体放电管的失效形式是短路.其含义在于不会使毛病扩展。也便于值班人员及时发现毛病和处理毛病。
4.4.2 晶闸管型防护器材
晶闸管型防护器材有两种： a)操控栅极型双向三端器材， 如SCR、TRLAO等。因为大多数电源电路的输出端都有电压过载维护，用一个电平触发SCR的操控栅极将输出短路而中止供电。呼应时刻约100 IXs，这对电压灵敏的器材有或许形成损坏，它的长处是耐电流量大。缺陷是焚烧电压易改变，呼应时刻慢。 b)操控保持电流型双向两头器材。由PNPNP五层组成，其结构是在单芯片上逆向并联组成的复合器材。该器材还具有呼应速率快、不需多级防护电路、耐电流量大、静电容量小、可靠性高级长处，特别适用于防护雷电浪涌。
4.5气体放电管和压敏电阻组合运用
气体放电管和压敏电阻都不合适单独在沟通电源线上运用。一个有用的计划是将气体放电管与压敏电阻串联起来运用。假如一起在压敏电阻上并联一个电容，浪涌电压到来时，能够更快地将电压加到气体放电管上。缩短导通时刻。这种气体放电管与压敏电阻的组合除了能够避免上述缺陷以外.还有一个长处便是能够下降限幅电压值。能够运用导通电压较低的压敏电阻，然后能够下降限幅电压值。 该衔接办法对浪涌电压的按捺作用如图2所示。 选用组合式维护计划能发挥不同维护器材的各自特色，然后获得最好的维护作用
5 电子产品浪涌防护规划
产品的浪涌反抗才干要经过浪涌(冲击)抗扰度测验来查验。该测验项目适用于电气和电子设备在规则的作业状况下作业时。对由开关或雷电作用所发生的有必定损害电平的浪涌(冲击)电压的反响。该测验项目适用于由公共供电网络供电的电子电气设备的沟通电源端1：3测验。也适用于有室外电线、电缆衔接的电源、操控、信号端口的测验。施加办法有共模和差模两种办法.因而，产品规划中就需求针对这些端口的共/差模浪涌采纳相应的按捺办法。
5.1电源端口的浪涌按捺
一个抱负的沟通电源浪涌按捺计划如图3所示。它充分利用不同吸收器材各自的长处。
抱负作业状况是：当浪涌到来时。TVS首要起动。会把瞬间过电压准确操控在必定的水平;假如浪涌电流大。则压敏电阻接着起动，并泄放必定的浪涌电流;两头的电压会有所进步，直至推进前级气体放电管的放电。把大电流泄放到地。该电路聚集动作快、限压低和放电才干强的长处。中心的滤波电感起高频滤波(吸收浪涌脉冲的前沿高频能量)和级间阻隔的作用。
对220 V/50 Hz的沟通电源体系，第三级TVS可取380 V额外电压产品.第二级的压敏电阻可取470 V额外电压产品。榜首级气体放电管选550 V额外电压产品.榜首级压敏电阻可选400 V额外电压产品。为了削减前级气体放电管反映时刻，能够在前级压敏电阻上并联一个1 000 pF到10 000 pF的高频电容。
榜首维护电路的电流容量应大于电路或许接受的最大电流容量。第二级、第三级维护电路的浪涌电流容量能够逐级递减。对浪涌电压不需太高测验等级的产品，能够省掉榜首级的气体放电管和压敏电阻串联电路以及相应的级间阻隔电感。对维护器残压不灵敏的产品，能够省掉第三级的TVS维护电路及相应的级间阻隔电感。因为TVS吸流才干有限，一般不单独在沟通电源端口运用。该取舍不影响上面举例的维护器材额外电压的挑选，可是维护电路的电流容量应相应地改变。 关于直流电源端口，一般总有一极接地，咱们能够采纳如图4所示的组合维护电路。该电路仅仅对图3的恰当取舍，作业原理相同。
此维护电路有一点需求留意：若被测设备需耐受的浪涌电流不是很大，主张尽量不要运用榜首级的气体放电管;若直流电路作业电压大于10 V，榜首级气体放电管不行运用。此刻可经过进步第二级压敏电阻的电流容量来满意设备的浪涌等级要求。对维护器残压不灵敏的产品，能够省掉第三级的TVS维护电路。在此电路中，气体放电管的额外电压应大于等于作业电压的1.8倍，压敏电阻的额外电压应大于等于作业电压的1.5倍。最前级维护元件的电流容量应大于最大浪涌电流。后级维护电路的电流容量能够逐级递减。
5.2 通讯端口的浪涌按捺
通讯接口的浪涌按捺电路的技能要求较高，因为除了满意浪涌防护要求外，还须确保传输目标符合要求。加上与通讯线路相连的设备耐压很低，对浪涌残压要求严厉，因而在挑选防护器材时较困难。抱负的浪涌按捺电路应是电容小、残压低、通流大、呼应快。
如图5所示，通讯接El组合维护电路其实是图4的变形，仅仅为满意通讯接口的高速信号传递的要求，将图4的高频滤波电感换成了PTC型的自康复保险丝。该PTC在正常作业阻抗近似为零，对通讯线路无任何不良影响，当浪涌抵达时，TVS和压敏电阻导通，大的浪涌电流转过PTC，PTC发热后变为高阻状况，然后分压了大的浪涌电压，维护了后续的浪涌按捺元件和通讯电路;当浪涌消失后，PTC温度下降，康复正常的低阻状况，通讯电路复原到正常状况。若通讯电路对接口阻抗要求较宽，能够用低阻抗电阻替代PTC，以下降线路本钱。此电路适用于非平衡传输的单路通讯接口。对平衡传输的通讯接口，T2通道也应如Tl通道对称加上PTC。若为多路通讯接口，每路的维护电路均与此相同。对平衡传输的通讯接口来说，当设备为金属外壳时，还需考虑设备与外壳地之间的浪涌冲击，各通讯线对地的维护电路与图5电路相同，只需将T2换成外壳地即可。各维护元件的额外电压应与通讯接口的正常作业电压的峰值相适应，通流电流应与最大浪涌电流相适应。
此维护电路需求留意的是：若通讯接口电路中含有绝对值超越l0 V的直流信号(如电话网络含有48 V直流)，气体放电管不行用;压敏电阻电容较大，只适用于音频通讯信号传输。对不含直流的高频接口维护电路，可取消第二级的压敏电阻，这种维护电路大约可到几十MHz的频率(若通讯电路含有直流，应选用灭弧电压高于作业直流的气体放电管;或维护电路仅由PTC与TVS组成，此刻浪涌维护才干较低)。更高频率的维护就首要是选用放电管了，不然很难满意传输要求。
5.3 天线端口的浪涌按捺
天线端口是一类十分简单遭受浪涌损坏的接口。无线通讯设备的外接天线端口一般需求与室外高处的天线衔接以完成无线信号的收发.AV产品的天线端口也会与室外天线或CATV体系衔接，这些接口都与室外引线衔接。虽然室外高处的天线一般都应有避雷针维护，进入室内后都还有前级(雷击)浪涌维护器维护。可是，一方面避雷针和维护器未必维护得很到位(这些维护办法失效也很难被产品用户发现，一般是呈现浪涌对产品损坏之后才发现维护早已失效);另一方面，这些室外天线很或许由用户自行装置(如乡村的室外电视天线)，维护办法缺失;别的，产品的天线均为长时间衔接，除非产品移动，一般衔接好后，不会常常断开。这些特色决议了产品天线端口很简单遭受浪涌的冲击，不幸的是.与产品天线端口相连的电路都是对浪涌十分灵敏的低压电子电路，因而，对天线端口的浪涌维护十分必要。
射频同轴天线端口组合维护电路如图6所示。该电路前级维护电路由气体放电管构成，后级维护电路由TVS与高频扼流电感L构成。参加电感L的意图是避免天线上高频信号被TVS极间%&&&&&%短路到地。为削减维护电路的高频衰减.去掉了级间阻隔电阻。这种维护电路的作业频率上限可达2GHz。若天线端口含有直流(如给前级天线放大器供电)，应选用灭弧电压高于作业直流的气体放电管。也有维护电路选用高通滤波器.因浪涌的能量频谱会集在几十赫兹到一兆赫兹之间，其能量首要会集在数十千赫兹以下，相关于天线端口的高频作业频率很低，可经过高通滤波器将浪涌从作业信号中别离加以吸收。关于点频通讯天线也可选用四分之一波长的短路线构成带通滤波器，防雷作用更好。但这两种办法都会将天线上传送的直流短路，其运用规模有限。
5.4 其它信号/操控端口的浪涌按捺
对其它信号腔制端口，若端口接线来自室外或线长超越必定的长度.则相应端口就有遭受感应的浪涌冲击损坏的风险.也需求采纳相应的浪涌按捺办法。若作业信号为直流电平，其浪涌按捺办法可参阅直流电源端口的浪涌按捺办法进行规划即可;若作业信号为中低频信号，其浪涌按捺办法可参阅通讯端口的浪涌按捺办法进行规划;若作业信号为高频信号，其浪涌按捺办法可参阅天线端子的浪涌按捺办法进行规划。
但需求留意的是，若端口是由变压器或光耦阻隔的，为避免变压器或光耦因浪涌击穿，除接口线线间需求浪涌按捺外，接口线对产品的接地端之间也应有相应的浪涌按捺电路。为确保表里电路的电气阻隔，此处只可选用气体放电管进行浪涌按捺。为确保气体放电管浪涌击穿后能正常灭弧.变压器或光耦阻隔的两头应无大于10 V的直流电位差。
5.5 地线反弹的按捺
当并联型的浪涌按捺器发挥作用时.它将浪涌能量旁路到地线上。因为地线都是有必定阻抗的。因而当电流流过地线时，地线上会有电压。这种现象一般称为地线反弹。当浪涌按捺器的地与设备的地不在同一点，设备的线路实践上没有遭到维护.较高的浪涌电压依然加到了设备的电源线与地之间。处理办法是在线路(地)与设备的外壳(地)之间再并联一只浪涌按捺器，或将两地挑选在同一点。遭到维护的设备与其他设备衔接在一起。因为地线反弹的原因，另一台设备就要接受共模电压。 这个共模电压会呈现在一切衔接设备1(受维护设备)与设备2(未维护设备)的电缆上。处理的办法是在互连电缆的设备2一端装置浪涌按捺器。
6 。结束语
跟着半导体器材的集成度的进步和广泛运用，电子产品变得越来越软弱，对浪涌冲击的反抗才干越来越低。为保证电子产品的安全，就应了解浪涌侵入产品的途径和损坏的机理，并找到相应的对策，以进步产品的浪涌反抗才干。本文就浪涌损坏机理、浪涌按捺对策、产品抗浪涌规划方面的问题进行了一些讨论.并对不同的浪涌对策器材进行了多方面介绍.以便利产品规划者参阅和挑选。
