信号SPD的设计原理.doc

信号SPD的安装潘宇(南京气象学院电子工程系210044)摘要：阐述了信号系统的防暂态过电压技术，各防过电压元件的特性，结合各种防过电压元件设计对各信号系统的防护。Abstract: Expatiate technology of the defend transient excessive voltage. Each characteristic of the defend excessive voltage element.Combine each defend excessive voltage element dafend excessive voltage.关键词：信号SPD，信号系统，暂态过电压。Key words:signal,beaconage, transient excessive voltage.一前言：对信息时代的防雷技术,人类进入信息时代的今天，大规模的集成电子元件很普遍，随着人类技术的进步，集成密度还可以进一步提高，这种高密度的超大规模集成电路，这样的器件抗击雷电过电压的能力很差，一般只要几个纳秒，一倍过电压就足以毁坏，对于信号系统来说，应更加注意防过电压。因为在信号系统不但要求信号SPD响应快，而且得通流容量大，要它的级间寄生电容要小，否则它将对信号系统产生畸变作用，使信号系统中的误码率变大，更有可能使信号系统无法运行。二信号系统的防暂态过电压技术在国内外广泛采用多级防护电路，在信号系统防过电压设计要求的不同位置上装设有各个SPD，能否承担应该和相应消耗的能量而不损坏或劣化，而同时还能满足各位置上的电压保护水平要求。设计时各SPD是分别选择的，往往是先按最大持续工作电压和电压保护水平的要求来选取。雷电威胁第一级第二级第三级直击反击绝大部分剩余很少侵入波绝大部分剩余很少感应承受承受承受操作电涌承受承受承受表一信号线路的基本防过电压电路如下图：图一它由放电管G，雪崩二极管D1和D2，电阻R以及电感L组成，实际上是一个两级保护电路。第一级放电管G用于旁路泄放暂态大电流，第二级雪崩二极管D1和D2用于箝位限压，保护后面的电子设备或元器件。第一级常称为粗保护，第二级常称为细保护，介于这两级之间的电阻R和电感L是起改善放电管的动作特性和促进两级保护特性配合的作用。当暂态过电压波沿信号线路传输到达保护电路后，由于放电管G具有较高的放电电压和较长的响应时间，它并不能很快放电导通。在放电管G尚未放电之前，雪崩二极管D1或D2（其中是哪一只管子取决于过电压极性）将首先击穿，使D1，D2支路导通，并流过暂态电流，随着该支路直接影响态电流的增大，RL支路上的压降也相应地增大，这一压降加于G两端，就促使G尽早动作放电。当G放电以后，它将提供一条旁路泄放崭暂大电流的通道，同时它也起限制过电压的作用，并实施对R，L和D1，D2的保护。此外，G放电导通，后，它将呈现低阻状态，能产生反极性和反射波来削减来波的波头上升陡度。可加上压敏电阻，使其与放电管串连，压敏电阻有较大的寄生电容，串连放电管，可使串连支路上的总电容降到几个微微法。放电管起到一个开关的作用当没有暂态过电压作用时，压敏电阻中几乎没有泄漏电流。图二三常用的防过电压元件：1气体放电管：气体放电管由封装在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距离的两个电极组成。其电气性能基本上取决于气体种类、气体压力以及电极距离。如果发生电压冲击，电极间会产生某种电弧，电离气体放电的路径是由高阻抗转向低阻抗。该放电过程阻止一个更高的冲击幅值。气体放电管受到瞬态高能量冲击时，它能以10-6s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率。它的通流容量较大，可达5KA10KA，选择放电管的一项重要指标是它的直流放电电压，为了确保放电管在系统正常运行状态下不影响信号的传输，放电管的直流放电电压应大于信号电路的正常传输电压，这一要求应大于信号电路的正常传输电压，（一般信号电路的正常传输电压常低于20V）；另一个重要指标是它的响应时间，其响应时间相对于其它保护元件来说比较大。其主要参数为：(1)直流放电电压在上升陡度低于100V/S的电压作用下，放电管开始放电的平均电压值称为其直流放电电压。由于放电管具有分散性，围绕着这个平均值还城同时允许的偏差上限和下限值。(2)冲击放电电压在具有规定上升陡度的暂态电压脉冲下，放电管开始放电的电压值称为其冲击放电电压。(3)工频耐受电流放电管通过工频电流5次，使管子的直流放电电压及绝缘电阻无明显变化的最大电流称为其工频耐受电流。(4)冲击耐受电流 将放电管通过规定波形和规定次数的脉冲电流，使其直流放电电压和绝缘电阻不会发生明显变化的最大值电流峰值称为管子的冲击耐受电流。这一参数总是在一定波形和一定通流次数下给出的，制造厂常给出在820us波形下通流10次的冲击耐受电流，也有给出在10/1000us波形下通流300次的冲击耐受电流。 (5)绝缘电阻和极间电容放电管的绝缘电阻很大，制造厂给出的该参数值一般为绝缘电阻的初始值，约为数千兆欧，在放电管的不断使用过程中，绝缘电阻值将会降低。阻值的降低会造成在被保护系统正常运行时管子中泄漏电流的增大，也有可能产生噪音干扰。放电管的极间寄生电容很小，两极放电管的极间电容一般在1pf5pF范围，极间电容值可以在很宽的频率范围内保持近似不变且同型号放电管的极间电容值分散性很小。放电管的选择，在设计防雷保护电路时，放电管的选用常采用经验作法，经验作法就是先根据放电管在被保护系统中的工作状况来选择管子的直流放电电压。对于设置在普通交流线路上的放电管，要求它在线路正常远行电压及其允许的波动范围内不能动作，则它的直流放电电压应满足：min(ufdc)=1.25x1.15Up上式Ufdc为直流放电电压，min(Ufdc)表示取直流放电电压的下限值Up为线路正常运行电压的峰值，1.15系数是考虑系统运行电压可能出现的最大允许波动为15，1.25系数是在线路运行电压波动的基础上再追加25的安全裕度。取放电管直流放电电压的允许偏差为0.2，则有：min(Ufdc)=(1-0.2)Ufdc=0.8Ufdc从不影响被保护系统正常运行的要求以发，希望将放电管的直流放电压选得高一些但直流放电电压高的管子，其冲击放电电压也相应提高，有可能超过被保护电子设备的耐受水平。而使设备受到损害：从被保护电子设备的可耐受性来看，又希望管子的直流放电电压尽量选得低些。因此，放电管直流放电电压应在这两种相互制约的要求之间进行折衷选择。在初步选定了放电管的直流放电电压后，最好应根据被保护系统所在的具体雷电暂态环境及系统的电路网络，预计放电管可能会遇到的苛刻过电压勺过电流条件，估算放电管的冲击放电电压，并使该电压低于被保护电子设备的耐受水平，只外还要大致地校核管子的冲击耐受能力，必要时还应校核管子的工频耐受能力。2压敏电阻：压敏电阻或金属氧化膜压敏电阻允许标志在其上的最大正弦交流工作电压通过。任何高于这一标志电压值的电压会被安全的转换，受到瞬态高能量冲击时，它能以10-9s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率。压敏电阻可用于中等较高的电压冲击场合。线性特性好、通流容量大、常态泄漏电流小、残压水平低、动作响应快和无续流等诸多优点目前被广泛地应用于电子设备的雷电防护。压敏电阻的参数：(1) 参考电压：压敏电阻通过1mA直流电流时其两端的电压，常用符号u1mA来表示，有时也用UN来表示。 (2)残压：压敏电阻通过规定波形(常为8/20us)的某一幅值的电流时，其两端的峰值电压，这参数有时也以指定电流值下的残压与参考电压之比的形式结出，如：U100A/U1mA,U1kA/U1mA. (3)通流容量 按规定时间间隔与次数在压敏电阻上施加规定波形(常为820us)电流后，压敏电阻参考电压的变化率仍在规定范围内所能通过的最大电流幅值。(4)泄漏电流：在小于参考电压(如0.75U1mA)的低电压作用下，压敏电阻中流过的电流。(5)额定运行电压：指允许长期连续施加在压敏电阻两端的工频电压有效值(或直流电压值)。压敏电阻在吸收暂态过电压能量后自身温度升高，在此电压作用下能正常冷却，不会发生热击穿。压敏电阻参考电压下限位一般按经验公式来选择，在直流回路中，应当有：min(U1mA)=(1.8-2)Udc上式中的Udc为回路中的直流工作电压，在交流回路中，应当有：min(U11mA)=(2.2-2.5)Uac上式中的Uac为回路直流工作电压的有效位。压敏电阻参考电压的上限值应由被保护电子设备的耐受电压来确定，应使压敏电阻的残压低于被保护电子设备的耐受电压水平，即:max(U1mA)=100V的压敏电阻。要求其泄漏电流不超过20uA对于应用于一些微电子设备的接口电路保护中，由于电路中的正常工作电压很低(如5v)，所要求压敏电阻的参考电压U1mA也很低。3 齐纳二极管和雪崩二极管都是工作在反向击穿区的二极管，从抑制暂态过电压的角度来看，它们的件能大致是相同的，只是在耐受暂态脉冲冲击能力和箝位电压水平方面有所差别。由于齐纳二极管相雪崩二极管具有箝位电压低和动作响应快等优点，它们将适合用于多级保护电路中的最末几级保护元件。此外，它们也能与其它保护元件配会使用组成专用的防雷保护装置。4抑制二极管：抑制二极管与普通齐纳二极管(稳压管)的工作原理类似。如果高于标志在其上的击穿电压，二极管就会导通。与齐纳管相比，抑制二极管(简称TVS)有更高的电流导通能力。TVS的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。它比使用压敏电阻进行浪涌保护优越得多。具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、体积小等特点。暂态抑制二极管的主要技术参数：(1)额定击穿电压这参数与普通齐纳二极管和雪崩二极管相似，是指在指定反向击穿电流(常为1MA)下的击穿电压。(2)最大箝位电压管子在通过规定波形的大电流(几十至几百安)时其两端出现的最高电压。 (3)脉冲功率 这参数也与普通齐纳二极管和雪崩二极管类似，也是在规定的10/100us电流波形下，管子两端的最大箝位电压与管子中电流峰值之积。4)反向变位电压管子在泄漏区其两端所能施加的最大电压，在此电压下管子不应击穿。(5)最大泄漏电流在反向变位电压作用下，管子中流过的最大反向电流.放电管压敏电阻暂态抑制二极管泄漏电流无小小续流有无无寄生电容小大无响应时间慢较快快通流容量大大较小老化现象有有几乎没有损坏形式短路，开路短路，开路短路，开路抗干扰能力较强强弱箝位电压水平放电电压高中等低表二理想的通信线路防雷器件应是电容小、残压低、通流大、响应快。显然各种器件单独使用都不理想，放电管几乎可以用于所有的通信频率，但其响应时间慢，防雷能力较弱；压敏电阻具有较大的极间寄生电容，一般在几百到几千微徽法的数量级范围。当压敏电阻应用于高频电子系统保护时，这种寄生电容将会对高频信号的传输产生畸变作用，从而影响到系统的正常运行。因此，在选用压敏电阻时，要特别注意这个问题，对于频率较高的电子系统，要尽量选用寄生电容低的压敏电阻；TVS的寄生电容通常在5000PF10000PF范围，这样大的寄生电容使得它同样不能用于频率较高的电子系统保护. 三各信号系统的防护设计电路：1平衡信号传输线路 许多较长的信号线路出于抑制共模干扰的目的，常采用平衡线路的模式进行信号传输，对于这种平衡信号线路的暂态过电压防护需要加以特殊考虑。平衡信号线路信号SPD设计的一个典型保护电路如下图所示, 图三G3为三极放电管，当平衡线路中的任意一条线路或两条线路上同时出现暂态过电压时，放电管G3将放电导通，实施泄放暂态大电流，进行第级限压，由于G3是三极放电管，它既能抑制共模过电压，又能抑制差模过电压。G3后续的雪崩二极管DlD6实施对暂态过电压进行第二级箝位限压，其中D1D4用于抑制共模过电压，D5和D6用于抑制差模过电压。在G3动作之前，这些管子对沿平衡线路袭来的暂态过电压波进行踏直接抑制，在G3动作后，它们对经过G3抑制后的剩余过电压进行再次抑制：在图中保护电路中。两条横向(串联)支路上的电感L应具有相同的数值，以保持电路结构的对称和平衡。三极放电管的直流放电电压一般比较高(因为三极放电管过去通常是用于通信线路的保护)，为了使G3能够在暂态过电压作用下尽早动作放电、在G3后面加入横向电感L是十分必要的，因为L能在暂态过电压波到来时，产生个足够高的反射波电压与来波叠加，叠加后的总电压施加于G3的极间，能促使其尽快动作放电。雪崩二极管D1和D2箝制平衡线路中条一信号线的对地电位为Uz(Uz为管子的击穿电压)。而D3和D4箝制另条信号线的对地电位也为Uz,，如果没有D5和D6，则当两条信号线上出现极性相反的暂态过电压时，加于被保护信号电路入口处的最大差模电压可以达到2Uz，利用D5和D6可将这种差模电压限制到Uz的绝大多数情况下，DlD6应具有相同的参数但也可以将D5和D6的击穿电压选得比其它四只管子低一些。2计算机通信接口保护 如下图所示为个由放电管和双阳极雪崩二极管组成的R5232接口保护电路，在该图中，两个信号保护环节分别设置在通信电缆两端，用于保护发送器和接收器免受沿通讯电缆侵入的雷电暂态过电压波的损害。原则上讲，这种保护电路对通讯电缆中的每根信号线部在该图中，两个信号保护环节分别设置在通信电缆两端，用于保护发送器和接收器免受通讯电缆侵入的雷电暂态过电压波的损害。图四设计该保护电路的主要任务是选择各保护元件的参数，基于RS232发送器的最大开路电压为25v，存国外一些保护电路中取雪崩二极管的击穿电压为30v，这种管子在25V电压作用下的泄漏电流小于5uA，对RS-232接口的正常数据传输无影响。实际上，由RS232接口的电气特性可知，当其发送器在带3k欧姆7k欧姆负载时，发送器输出的最高电压可达15v，因此可将雪崩二极管的击穿电压降低列18V左右。对于相同脉冲功率的系列管子来说，降低管子的击穿电压可以提高其通流容量有助于管子在抑制暂态过电压时泄放暂态大电流其次，降低管子的击穿电压也可以在抑制暂态过电压时获得较低的箝位电压，实现对发送器或接收器的可靠保护。放电管的直流放电电压的经验取值范围大致在150v250v，电阻的经验取他范围为1033欧姆一般应采用碳合成电阻其功率取为2W。3射频信号线路 在射频信号线路中,正常传输信号的频率一般在10MHz1GMHz范围，由于工作频率对应的波长很短，信号线常显出明显的分布电路元件特征。射频信号电路的暂态过电压保护，因为象雪崩二极管和压敏电阻这类保护元件自身存在寄生电容，将这类保护元件接入射频信号电路中，它们的寄生电容将会破坏原来信号传输时的阻抗匹配，使正常传输信号发生畸变失真。从减小保护元件自身的容生电容角度来看，可以采用放电管，因为放电管的寄生电容很小但放电管的箝位电压相对较高，且其放电分散性和动作响应时间均比较大，难以直接对射频信号电路中的脆弱电子元器件提供可靠保护。另外采用普通二极管与雪崩二极管串联的方式也可以减小寄生电容，但这将会增大整个串联支路的动作响应时间，不能有效地抑制暂态过电压。为了实现对暂态过电压的抑制而又不致影响射频信号的正常传输一种设想是利用雪崩二极管或压敏电阻自身的寄生电容与外接电感构成个集总参数LC0环节，如图:图五则这种集总参数LC。环节的特性阻抗可表示为： ZLc为特性阻抗，L为外接电感，Co为保护元件的寄生电容，让ZLc的数值等于射频信号线线的波阻抗Zo，即可达到两者之间的匹配。在正常传输时，射频信号通过该环节将不会发生信号的折、反射，可以做到正常传输；在雷电暂态过电压波沿信号线袭来时，该环节相当于一个保护电路，能够实施对过电压的抑制。但是还存在着一些实际问题，由于射频信号电路的保护箝位电压要求数值较低，采用压敏电阻作为保护元件，它虽具有较为稳定的容生电容位，但其参考电压势必要选得较低，以满足低箝位水平的要求，这样的压敏电阻所具有的伏安特性的非线性程度往往不够理想，特性在动作点以后的斜率相对比较大箝位效果欠佳。该图中的压敏电阻也可换成雪崩二极管.如果采用雪崩二极管作为保护元件，虽然可以获得较为理想的箝位限压效果，但雪崩二极管的寄生电容值是随管子两端电压的变化而变化的，难以保证它和外接固定值电感所决定的特性阻抗与射频信号传输线的波阻抗之间达到匹配状态。总之，对于射频信号电路的暂态过电压保护问题，尚缺乏较为完善的解决办法，还需要进行深入的研究和探讨工作，以求获得满意的解决。4运算放大器的保护 (1)反相放大器输入端的保护电路如图图六普通二极管D1和D2能将差模过电压限制到管子的正向导通电压(约0.7v)以内，出于D1和D2在同相端直接和地相连它们也能起到限制共模过电压的作用。当暂态过电压波沿信号线侵入反相端时D1或D2(取决于过电压的极性)将首先导通，此时的放电管G因没有获得足够高的电压而处于未放电状态，随着侵入的暂态过电压数值上升，流过电阻R1的暂态电流增大，R1上的压降也增大，该压降直接作用于G上，当它增大到一定数值后G就会放电导通，而G放电后，G将和R1一起实施对D1或D2的限流保护，G的参数选择依赖于R1的阻值和D1与D2的最大耐受电流。例如当R11K欧姆。D1和D2的最大耐受电流为500mA时，在D1上产生的压降为500v，则G的直流放电电压可选为90v150v，由于R1的阻值决定着整个放大器的电压增益(R2R1)，且Rl在参与抑制暂态过电压时其自身要承受较大的暂态电压，因此必须要保证Rl的阻值在经受较大暂态电压作用后不会变化，通常RI可用2W的碳合成电阻，也可以用5W的绕线电阻，而金属膜电阻一般不能用，因为金属膜电阻不能耐受较高的过电压。(2)同相放大器的保护在反相放大器输入端的保护电路的基础上。在同相放大器的输入端与地间加装雪崩二极管D3或D4，用于抑制过电压。普通二极管D1和D2用于防护差模过电压进入输入端(当暂态过电压作用于同相端时有可能形成这种差模输入过电压)。电阻与放电管配合，用于限制D3和D4中的暂态电流，当输入低频信号时，由于放大器的输入电阻非常大，如果电阻按几千欧取值，则它不会对低频信号的电压放大倍数产生影响。但是在高频情况下由电阻的寄生电感与D3和D4 的寄生电容组成的滤波器可能会对高频信号产生畸变作用。5信号线 建筑物内许多电子设备与交流电源线相连，又与信号通讯线相连，而电源系统与信号系统的接地常常不在同位置。当电源线或信号线上出现雷电暂态过电压时，在电子设备的电源线端与信号线端之间将会产生较大的暂态电位差，容易造成电子设备的损坏。为了消除这种暂态电位差、常可采用暂态旁路法。该方法是在电子设备的电源线与信号线端之间跨接一个放电管或放电间隙，当电源线或信号线上出现暂态过电压时，这个跨接的保护元件将动作放电，使两线端间的暂态电位差被限制到保护元件的残压水平；在许多建筑物内，由于受电子设备空间安装位置的限制其电源系统或信号系统的接地引下线往往较长，这就会在空间形成面积较大的电气回路。在暂态抑制过程中，由暂态大电流产生的空间脉冲电磁场将在回路中感应出幅值较高的电势，给电子设备的安全带来严重威胁在这种情况下，采用暂态共地法常常是难以胜任的，而采用暂态旁路法则显示出优势。如何正确安装信号SPD是信号电路防雷的一个重要环节，