开关电源雷击浪涌的产生与防护

开关电源雷击浪涌的产生与防护 1 雷击浪涌的产生 2 雷击浪涌在开关电源中的流通回路的分析 共模信号与差模信号 3 一种防雷击浪涌的开关电源电路的设计 4 雷击浪涌电路的人工产生与防雷击浪涌的电路的可靠性测试 第 1 节 雷击浪涌的产生 雷击是指带电云层之间或带电云层和地面之问相互靠近产生的一种放电现象 这个放 电过程会产生强烈的闪电和巨大的声响 并伴随大量的能量传递 雷击的形式主要有 3 种 直击雷 传导雷和感应雷 随着对雷电形成机体的了解和深入的研究 人们已经对 直击雷和传导雷的灾害性破坏有较好的防护措施 但间接雷 如云层内 云层间的雷击 或 邻近物体遭到的雷击 仍然可以在户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 电磁兼容领域所指的浪涌一般 来源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情况 1 高能雷电冲击波通过户外 传输线路 设备间的连接线以及电力线侵人设备 使串接在线路中间或终端的电子设备遭 到损害 2 雷击大地或接地导体 引起局部瞬间地电位上升 波及附近的电子设备 对设 备产生冲击 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 升时间较长 脉宽较宽 不含有较高的频率成分 多通过传导方式进入设备内部 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 则同样可在电路中传输 损坏内部电路的电容 电感及耐冲击能力差的半导体器件 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 对具有自恢 复能力的绝缘 击穿只是暂时的 一旦冲击消失 绝缘很快便得到恢复 有些非自恢复的 绝缘介质 如果击穿后只流过很小电流 常不会立即中断设备的运行 但随时间的推 移 元部件受潮绝缘会逐渐地下降 电路特性变坏 最后将使电路中断 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 常出现永久性损坏 对易受能量 损坏的元器件 受损坏程度主要取决于流过其上的电流及持续时间 3 浪涌 雷击 的综合防护 3 1 建筑物的雷击防护 按照防护范围可将电子产品的防护措施分为两类 外部防护和内部防护 外部防护 是指对安装电子产品的建筑物本体的安全防护 可采用避雷针 分流 屏蔽网 均衡电位 接地等措施 对这些防护措施人们比较重视 应用也比较普遍 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 雷电或电源系统内部过电压 的防护 其措施有 等电位连接 屏蔽 保护隔离 合理布线和使用过电压保护器等措施 3 2 电子产品的浪涌抑制方式 以上介绍的浪涌 雷击 防护措施原则上可以将电 子产品遭受浪涌 雷击 损害的可 能性大大减低 为电子产品提供一个相对安全的使用环境 但仅靠这些措施要想保证 电子产品免遭浪涌冲击还是不够的 只有同时提高电子产品本身对 雷击 浪涌的抵抗能力 才能形成一个完整的综合浪涌防护体系 浪涌冲击主要通过交直流电源和与室外连 接的信号 控制线以传导方式进入电子产品内部 对产品形成危害 要有效地防止浪涌冲 击对产品的危害 就必须在产品的交直流电源端口和信号 控制端口安装浪涌抑制器件 对浪涌冲击加以吸收 阻止其进入产品内部对电路形成危害 雷击浪涌的最大特点 是能量特别大 所以采用普通滤波器和铁氧体磁芯来滤波 吸收的方案基本无效 必须使 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抑制器件才行 浪涌抑制器件基本的使用方法是直接将浪涌吸收器件与被保护设备并联 以便对超 过设备承受能力的浪涌电压进行吸收或能量转移 浪涌抑制器件的一个共同特性就是其阻 抗在有浪涌电压出现时与没浪涌电压时不同 正常电压下 它的阻抗很高 对电路的工作 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 这类器件的使用方法是并联在线路与参考地之间 当浪涌电压出现时迅速导通 以将电压 幅度限制在一定的数值上 压敏电阻 瞬态抑制二极管和气体放电管具有不同的伏安特性 因此浪涌通过它们时 发生的变化不同 如图 1 所示 对浪涌通过这 3 种器件时的变化进行了比较 4 常见的浪涌抑制器件特点及应用 4 1 金属氧化物压敏电阻 MOV 压敏 电阻由金属氧化物 主要是氧化锌 材料组成 属箝位型器件 其特性与两只背对背联接的 稳压管非常相似 有着毫微秒级的响应速度 压敏电阻对瞬变信号的吸收能力与其体积成 正比 其厚度正比于电压 面积正比于电流 压敏电阻是目前在电子产品中使用最广泛的 浪涌抑制器件 当压敏电阻上的电压超过一定幅度时 电阻的阻值大幅度降低 从 而将浪涌能量泄放掉 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 因此在浪涌电流的峰值处箝位电压达 到最高 4 1 1 压敏电阻的特点 a 优点 电压范围很宽 可从几伏到几 千伏 吸收浪涌电流可从几十到几千安培 反应速度快 无极性 无续流 峰值电流承受 能力较大 价格低 b 缺点 钳位电压较高 一般可以达到工作电压的 2 3 倍 而 且 随着受到浪涌冲击次数的增加 漏电流增加 另外 响应时间较长 寄生电容较大 c 适用场合 直流电源线 低频信号线 或者与气体放电管串联起来用在交流电源线上 4 1 2 压敏电阻的选择 a 从抑制瞬变干扰的角度出发 压敏电压要尽量降低以接 近被保护电路的工作电压 从提高元件寿命来看 又要拉开两者差距 一般折衷的选取方 案为 对交流工作电路 压敏电压值为工作电压的 2 2 倍 对直流工作电路 压敏电压值 为工作电压的 1 5 倍 b 通流量的选取 在实际应用中 压敏电阻所吸收的最大浪 涌电流应小于它的最大通流量 对同一应用场合 当最大通流量增加一倍 压敏电阻的寿 命也同步增加一倍 4 2 硅瞬变电压吸收二极管 TVS TVS 为电压箝位型工作方式 亚纳秒级的响应速度 TVS 有多种封装方式 可满足不同场合的需要 当 TVS 上的电压超 过一定的幅度时 器件迅速导通 通过 PN 结反向过压雪崩击穿将浪涌能量泄放掉 由于 这类器件导通后阻抗很小 因此它的箝位电压很平坦 并且很接近工作电压 4 2 1 硅 瞬变电压吸收二极管的特点 a 优点 响应时间短 漏电流小 击穿电压偏差小 箝位 电压低 相对于工作电压 动作精度高 无跟随电流 续流 体积小 每次经受瞬变电压后 其性能不会下降 可靠性高 b 缺点 由于所有功率都耗散在二极管的 PN 结上 因 此它所承受的功率值较小 允许流过的电流较小 一般的 TVS 器件的寄生电容较大 如在 高速数据线上使用 要用特制的低电容器件 但是低电容器件的额定功率往往较小 c 适用场合 浪涌能量较小的场合 如果浪涌能量较大 要与其它大功率浪涌抑制器件一 同使用 则把它作为后级防护 4 2 2 硅瞬变电压吸收二极管的选择 a 最大箝位电 压 VCMAX 应不大于电流的最大允许安全电压 b 最大反向工作电压 VRWM 应不低 于电路的最大工作电压 一般略高于电路的工作电压 c TVS 额定的最大脉冲功率必 须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率 d 对小电流负载的保护 可在二极管之前 串接适当的限流电阻 从而可选用小的峰值吸收功率的 TVS 来担任这一功能 4 3 气体放 电管 气体放电管采用陶瓷密闭封装 内部由两个或数个带间隙的金属电极 充以惰 性气体 氩气或氖气 构成 当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时 气 体放电管便开始放电 器件变为短路状态 使电极两端的电压不超过击穿电压 气体放电 管一旦导通后 它两端的电压会很低 气体放电管有两极和三极之分 可分别用于线间和 线一地间的保护 4 3 气体放电管 气体放电管采用陶瓷密闭封装 内部由两个或数个带间隙的金属 电极 充以惰性气体 氩气或氖气 构成 当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气 体击穿时 气体放电管便开始放电 器件变为短路状态 使电极两端的电压不超过击穿电 压 气体放电管一旦导通后 它两端的电压会很低 气体放电管有两极和三极之分 可分 别用于线间和线一地间的保护 4 3 1 气体放电管的特点 a 优点 承受电流大 绝缘电阻高 漏电流小 寄生电容小 b 缺点 点 火电压高 残压较高 反应时间慢 100 ns 动作电压精度较低 会慢性漏气 有光敏效 应 离散性大 有跟随电流 续流 若跟随电流的时间较长 会导致放电管触点迅速烧毁 从而缩短放电管的寿命 c 适用场合 信号线或工作电压低于导通维持电压的直流 电源线上 一般低于 10 V 与压敏电阻组合起来用在交流电源线上 它具有很强的冲击电 流吸收能力 但有着较高的起弧电压 所以比较适合做一级粗保护 4 3 2 气体放电管 的选择 在直流电路中气体放电管的标称电压选择为工作电压的 1 8 倍 在交流电路 中选择为工作电压有效值的 2 5 倍 气体放电管标称电流容量应大于被保护电路的可能最 大浪涌冲击容量 由于有跟随电流 续流 气体放电管一般不可使用在直流电路中 除非直流工作电压低于气体放电管的击穿维持电压 4 4 其它浪涌吸收器件 4 4 1 固体 放电管 是一种新的瞬变电压吸收器件 与气体放电管一样同属能量转移型保护器件 但性能更理想 如通态压降仅 3 V 左右 接近短路 纳秒级的响应速度 动作电压稳定 使用寿命长 能双方向吸收正 负极性的瞬变电压 固体放电管有一定的结电容 在 脉冲状态下触发电压较直流击穿电压稍有提高 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 固体放电管的失效模式是短路 其意义在于不会使故障扩 大 也便于值班人员及时发现故障和处理故障 4 4 2 晶闸管型防护器件 晶闸管 型防护器件有两种 a 控制栅极型双向三端器件 如 SCR TRLAO 等 因为大多数电源 电路的输出端都有电压过载保护 用一个电平触发 SCR 的控制栅极将输出短路而中断供电 响应时间约 100 IXs 这对电压敏感的器件有可能造成损坏 它的优点是耐电流量大 缺点 是点火电压易变化 响应时间慢 b 控制维持电流型双向两端器件 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件 该器件还具有响应速率快 不需多 级防护电路 耐电流量大 静电容量小 可靠性高等优点 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应用 气体放电管和压敏电阻都不适合单独在交流电 源线上使用 一个实用的方案是将气体放电管与压敏电阻串联起来使用 如果同时在压敏 电阻上并联一个电容 浪涌电压到来时 可以更快地将电压加到气体放电管上 缩短导通 时间 这种气体放电管与压敏电阻的组合除了可以避免上述缺点以外 还有一个好 处就是可以降低限幅电压值 可以使用导通电压较低的压敏电阻 从而可以降低限幅电压 值 该连接方式对浪涌电压的抑制作用如图 2 所示 采用组合式保护方案能 发挥不同保护器件的各自特点 从而取得最好的保护效果 5 电子产品浪涌防护设计 产品的浪涌抵抗能力要通过浪涌 冲击 抗扰度测试来检验 该测试项目适用于电气和 电子设备在规定的工作状态下工作时 对由开关或雷电作用所产生的有一定危害电平的浪 涌 冲击 电压的反应 该测试项目适用于由公共供电网络供电的电子电气设备的交流电源 端 1 3 测试 也适用于有室外电线 电缆连接的电源 控制 信号端口的测试 施加方式 有共模和差模两种方式 因此 产品设计中就需要针对这些端口的共 差模浪涌采取相应 的抑制措施 5 1 电源端口的浪涌抑制 一个理想的交流电源浪涌抑制方案如图 3 所示 它充分利用不同吸收器件各自的优 点 理想工作状态是 当浪涌到来时 TVS 首先起动 会把瞬间过电压精确控制在一定的 水平 如果浪涌电流大 则压敏电阻接着起动 并泄放一定的浪涌电流 两端 的电压会有所提高 直至推动前级气体放电管的放电 把大电流泄放到地 该电路汇 集动作快 限压低和放电能力强的优点 中间的滤波电感起高频滤波 吸收浪涌脉冲的前沿 高频能量 和级间隔离的作用 对 220 V 50 Hz 的交流电源系统 第三级 TVS 可取 380 V 额定电压产品 第二级的压敏电阻可取 470 V 额定电压产品 第一级气体放电管选 550 V 额定电压产品 第一级压敏电阻可选 400 V 额定电压产品 为了减少前级气体放电管 反映时间 可以在前级压敏电阻上并联一个 1 000 pF 到 10 000 pF 的高频电容 第一 保护电路的电流容量应大于电路可能承受的最大电流容量 第二级 第三级保护电路的浪 涌电流容量可以逐级递减 对浪涌电压不需太高测试等级的产品 可以省略第一级 的气体放电管和压敏电阻串联电路以及相应的级间隔离电感 对保护器残压不敏感的产品 可以省略第三级的 TVS 保护电路及相应的级间隔离电感 由于 TVS 吸流能力有限 一般不 单独在交流电源端口使用 该剪裁不影响上面举例的保护器件额定电压的选择 但是保护 电路的电流容量应相应地变化 对于直流电源端口 一般总有一极接地 我们可以采取 如图 4 所示的组合保护电路 该电路只是对图 3 的适当剪裁 工作原理相同 此保护电路有一点需要注意 若被测设备需耐受的浪涌电流不是很大 建议尽量不要 使用第一级的气体放电管 若直流电路工作电压大于 10 V 第一级气体放电管不可使用 此时可通过提高第二级压敏电阻的电流容量来满足设备的浪涌等级要求 对保护器残压不 敏感的产品 可以省略第三级的 TVS 保护电路 在此电路中 气体放电管的额定电 压应大于等于工作电压的 1 8 倍 压敏电阻的额定电压应大于等于工作电压的 1 5 倍 最前级保护元件的电流容量应大于最大浪涌电流 后级保护电路的电流容量可以逐级递减 5 2 通信端口的浪涌抑制 通信接口的浪涌抑制电路的技术要求较高 因为除了满足 浪涌防护要求外 还须保证传输指标符合要求 加上与通信线路相连的设备耐压很低 对 浪涌残压要求严格 因此在选择防护器件时较困难 理想的浪涌抑制电路应是电容小 残 压低 通流大 响应快 如图 5 所示 通信接 El 组合保护电路其实是图 4 的变形 只是为满足通信接口的高速 信号传递的要求 将图 4 的高频滤波电感换成了 PTC 型的自恢复保险丝 该 PTC 在正常工 作阻抗近似为零 对通信线路无任何不良影响 当浪涌到达时 TVS 和压敏电阻导通 大 的浪涌电流通过 PTC PTC 发热后变为高阻状态 从而分压了大的浪涌电压 保护了后续 的浪涌抑制元件和通信电路 当浪涌消失后 PTC 温度下降 恢复正常的低阻状态 通信 电路还原到正常状态 若通信电路对接口阻抗要求较宽 可以用低阻抗电阻代替 PTC 以 降低线路成本 此电路适用于非平衡传输的单路通信接口 对平衡传输的通信接口 T2 通 道也应如 Tl 通道对称加上 PTC 若为多路通信接口 每路的保护电路均与此相同 对平衡 传输的通信接口来说 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 通信线对地的保护电路与图 5 电路相同 只需将 T2 换成外壳地即可 各保护元件的额定电 压应与通信接口的正常工作电压的峰值相适应 通流电流应与最大浪涌电流相适应 此保护电路需要注意的是 若通信接口电路中含有绝对值超过 l0 V 的直流信号 如电话网络 含有 48 V 直流 气体放电管不可用 压敏电阻电容较大 只适用于音频通信信号传输 对不含直流的高频接口保护电路 可取消第二级的压敏电阻 这种保护电路大约可到几十 MHz 的频率 若通信电路含有直流 应选用灭弧电压高于工作直流的气体放电管 或保护电 路仅由 PTC 与 TVS 组成 此时浪涌保护能力较低 更高频率的保护就主要是采用放电管了 否则很难满足传输要求 5 3 天线端口的浪涌抑制 天线端口是一类非常容易遭受 浪涌损坏的接口 无线通讯设备的外接天线端口一般需要与室外高处的天线连接以实现无 线信号的收发 AV 产品的天线端口也会与室外天线或 CATV 系统连接 这些接口都与室外 引线连接 尽管室外高处的天线一般都应有避雷针保护 进入室内后都还有前级 雷击 浪 涌保护器保护 但是 一方面避雷针和保护器未必保护得很到位 这些保护措施失效也很难 被产品用户发现 一般是出现浪涌对产品破坏之后才发现保护早已失效 另一方面 这些 室外天线很可能由用户自行安装 如农村的室外电视天线 保护措施缺失 另外 产品的 天线均为长期连接 除非产品移动 一般连接好后 不会经常断开 这些特点决定了产品 天线端口很容易遭受浪涌的冲击 不幸的是 与产品天线端口相连的电路都是对浪涌非常 敏感的低压电子电路 因此 对天线端口的浪涌保护非常必要 射频同轴天线端口组合保护电路如图 6 所示 该电路前级保护电路由气体放电管构成 后级保护电路由 TVS 与高频扼流电感 L 构成 加入电感 L 的目的是防止天线上高频信号被 TVS 极间电容短路到地 为减少保护电路的高频衰减 去掉了级间隔离电阻 这种保护电 路的工作频率上限可达 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 弧电压高于工作直流的气体放电管 也有保护电路采用高通滤波器 因浪涌的能量 频谱集中在几十赫兹到一兆赫兹之间 其能量主要集中在数十千赫兹以下 相对于天线端 口的高频工作频率很低 可通过高通滤波器将浪涌从工作信号中分离加以吸收 对于点频 通信天线也可采用四分之一波长的短路线构成带通滤波器 防雷效果更好 但这两种方法 都会将天线上传送的直流短路 其应用范围有限 5 4 其它信号 控制端口的浪涌抑制 对其它信号腔制端口 若端口接线来自室外或线长超过一定的长度 则相应端口就有遭受 感应的浪涌冲击损坏的危险 也需要采取相应的浪涌抑制措施 若工作信号为直流电平 其浪涌抑制方式可参考直流电源端口的浪涌抑制方式进行设计即可 若工作信号为中低频 信号 其浪涌抑制方式可参考通信端口的浪涌抑制方式进行设计 若工作信号为高频信号 其浪涌抑制方式可参考天线端子的浪涌抑