通信电源系统防雷电路设计

1、精品好资料学习推荐通信電源系統防雷電路設計胡志明電源電子研發處關鍵詞： 氣體放電管，MOV，TVS，額定通流能力Imax，電壓保護水平Up摘要：本文主要闡述了雷擊侵害的實質以及雷擊破壞的機理，介紹了通信電源系統和線路板上的多級防雷電路設計要點，最後總結了防雷電路設計的一般原則。1 前言在通信電源系統中，防雷保護至關重要。防雷電路的設計有其自身特點，即設計考慮的全面性、對防雷器件特性的全面了解性、設計驗證的試驗困難性等。針對通信電源系統可能遭受雷擊入侵的路徑，筆者試圖較全面細緻地將設計思路展開，並得出一般的防雷電路設計方法。2 雷擊侵害的實質本文討論的雷擊侵害都為感應雷的侵害，而非直擊雷。對於被

2、雷擊能量侵害的大地上的物體，直擊雷是指帶電雲層直接對其進行放電，而感應雷則指雲層對大地放電後其強大的電磁干擾對物體的侵害。因此，雷擊侵害的抑制也是電磁兼容(EMC)的一部分。強大的雷擊電流造成電磁場的急劇變化，根據電磁感應定律，磁場的快速變化必然導致週邊（範圍能延伸幾公里）金屬導體上產生很高的感應電壓。如果，金屬導體是交流電網、通訊線纜，則感應電動勢將沿此路徑，侵入到用電設備及通信設備。對於通信電源系統，特別是室外型通信電源系統來說，由於其用電設備（傳輸模塊、發射模塊等）為弱電系統，承受干擾能力較弱，且由於其在經濟生活中的重要地位，不容許通信系統因為雷擊而中斷，因此，通信電源系統必須能夠承受來

3、自電源線、負載線、信號線等路徑侵入的雷擊感應電壓。因此雷擊侵害的實質，是幅值很高的瞬時感應電壓。3 雷擊破壞的機理雷擊侵入方式分兩種，一種為共模，即線纜對大地之間的瞬時感應電壓；另一種為差模，即線纜之間的瞬時感應電壓；若用電設備沒有任何防雷電路保護，則很容易產生破壞。差模的破壞作用顯而易見，例如正常工作為交流220V的開關電源整流模塊，當在電壓波形上疊加几KV的感應高電壓時，就有可能擊穿整流橋電路中的半導體器件，因此要抑制雷擊感應電壓進入到電源模塊中。對於共模侵入的破壞機理，要視用電設備的接地特性分別說明。若用電設備沒有接地且感應線路與大地離得很遠，則此雷擊感應電壓不會對設備造成損害，設備本身

4、可達到靜電感應平衡。（這裡以人體作比方，在乾燥的冬季，人的身體通常會帶靜電，電壓高達几KV，但如果不是碰到金屬門把手、感覺到放電的小痛覺，也即對大地放電，那麼我們自己可能完全感覺不到自己是個帶了几KV高電壓的危險體！）若用電設備沒有接地但感應線路與大地離得很近，那麼線路上的感應電壓就會與大地之間形成很強的電場強度，並將空氣電離，形成泄放迴路，巨大的電流將產生很大的火花甚至導致著火燃燒，損壞設備。若用電設備已經接地，則雷擊感應電壓可直接在接地迴路上產生很大的泄放電流，大電流必然產生高溫高熱，導致線路或元器件的燒燬，損壞程度視其對地迴路阻抗的大小而不同。4 防雷的基本策略雖然，如果用電設備不接地且

5、感應線路與大地離得很遠的方式，可以對共模侵入的雷擊起到防護作用。但是，絕大多數的電器設備都要求接地（機殼、手可觸及的金屬裸露部分等）。如果不接地，很有可能因為電器機殼帶電而導致人身觸電事故，而且接地是抑制傳導電磁干擾（CE）和輻射電磁干擾（RE）的非常行之有效的手段之一。既然絕大部分電器都會接大地，那麼如何來防止雷擊破壞作用的發生呢？雷擊危害的實質是瞬時感應高電壓侵入到用電設備，然後擊穿電氣元件造成設備損壞，或者在擊穿的過程中，產生大電流，高溫高熱導致線路或器件燒燬。因此，要做到雷擊防護，必須抑制瞬時高電壓。圖1為雷擊感應電壓侵入路徑示意圖。其中，Us為雷擊感應電壓，Rs是線路電阻，Ls是線路

6、電感，Zd是通信電源系統的總輸入阻抗，Ud是電源系統分得的感應電壓，Id是侵入電流。示意圖可表示差模和共模兩種雷擊侵入方式。由於Rs、Ls較小，在Zd上分得的電壓將很大，為了抑制Ud，必須降低Zd，這樣進入通信電源系統的電壓可以被限制到安全電壓（以不破壞或不影響電源正常工作為準）以下。當Zd很小時，整個侵入迴路的阻抗很小，約為几到几十，侵入電流Id將很大，峰值可達几KA到上百KA，因此需要為Id提供泄放通道。綜合以上所述，防雷的關鍵是要為通信電源系統提供一個低阻抗、大電流的旁路通道，在泄放雷擊感應能量的同時，抑制旁路通道後級的電壓，實現電源保護。而低阻抗、大通流容量的旁路通道，可以由一些特殊的

7、器件實現。圖1 雷擊感應電壓侵入路徑示意圖5 防雷器件介紹作為旁路雷擊能量的通道，防雷器件需要與被保護電路並聯。在無雷擊感應電壓的狀態下，這些器件呈現高阻態，不對正常工作電壓作出低阻抗反應，不對電源系統正常工作產生影響。而在瞬時雷擊感應電壓下，這些器件迅速呈現為低阻抗、大通流容量的特性。以下要介紹的防雷器件，無不具有上述的最基本特性。防雷器件主要包括氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻（MOV，一般為氧化鋅壓敏電阻）、瞬態抑制二極管（TVS），其主要特性如表1所示。表1 各種防雷器件的特性比較通流容量Imax (8/20uS)保護電壓Vp反應速度寄生電容C其他優缺點氣體放電管大，最大達几百KA高，精

8、度低慢，100nS很小，几pF存在續流問題MOV較大，最大達几十KA較低，較精確快，50nS大，几百到几千pF易老化，漏電流增大TVS較小，最大1KA左右低，精度高很快，几pS較大，几十pF成本較高密切聯繫項泄放電流能力後級電壓防護水平多級防護電路中的動作順序電路正常運行的最高頻率應用場合、使用維護等不同6 通信電源系統多級防雷電路根據電源系統的正常工作電壓，需要將雷擊感應電壓抑制到這個電壓水平附近，由於各種防雷器件的性能特點不同，因此有時候不能僅僅依靠一種防雷器件或一級防雷電路來實現抑制高電壓，需要多種防雷器件組合使用，形成多級防類電路，將雷擊衝擊電流逐級釋放，將感應電壓逐級降低，最終達到期

9、望的電壓保護水平。通信電源系統涉及的雷擊測試電流波形為8/20uS波形，圖2為波形說明，後續在關於防類電路設計說明中的感應源都以此8/20uS波形為準。圖2 8/20uS衝擊電流波形圖3為通信電源系統中的室外電源系統多級防雷電路示意圖，其中L1、L2、L3、L4為電感或導線雜散電感，後者的經驗值為1uH/m，F4為溫度型保險絲，用於MOV4、MOV5失效短路後的熔斷保護，其阻值一般小於1m。F1、F2、F3為電流型保險絲（慢熔），其阻值一般為幾m，電感量也很小，對後續分析可作為忽略參數。圖3 室外電源系統多級防類電路表2為圖3中防雷器件主要參數。表2 圖3中防雷器件主要參數防雷器件額定通流能力

10、Imax(KA)電壓保護水平Vp(KV)MOV1402.8GAS1501.2MOV2201.8GAS2201.2MOV34.51.0MOV44.50.85MOV54.50.856.1 差模感應電壓抑制分析 首先，我們定性分析一下電感L1、L2、L3、L4對防雷性能的影響。若L1、L2、L3、L4的電感量接近0（即三級防雷之間的連接導線很短），當在L、N之間侵入一個10KA的8/20uS電流時，由於MOV3電壓保護水平最低，為1.0KV，所以首先擊穿導通，電壓被箝位在1.0KV，而MOV2、MOV1的電壓保護水平為1.8KV和2.8KV，因此還不會完全擊穿，即不會呈現低阻抗，故MOV2、MOV1

11、上流過的電流仍然很小，這樣衝擊電流就會一直從已經完全導通了的MOV3通過，而它的額定通流能力為4.5KA，流過10KA的衝擊電流後，MOV3將很可能損壞或炸裂。因此，雖然電路有B+C的防雷保護，額定衝擊電流可達40KA，但因為在L1、L2、L3、L4為0的情況下，MOV1、MOV2根本沒有發揮作用，仍然導致了MOV3的損壞，並最終導致電源模塊的防雷能力下降。 若B級防雷與C級防雷之間、C級防雷與模塊內部防雷之間的導線長度有1m，即L1、L2、L3、L4都達到1uH，則情況將完全不同。當L、N之間侵入一個10KA的8/20uS電流時，MOV3仍然最先擊穿導通，兩端的電壓Um3被箝位在1.0KV。

12、由於此時電流正處於8/20uS波形的波頭上升階段，因此有一個電流上升率di/dt，這裡可以很快算出其值為di/dt=10KA/8uS=1.25*109A/S 公式1此電流上升率將在電感L1、L2、L3、L4形成一個電壓，其計算式為U=Ldi/dt=1uH*1.25*109A/S=1.25KV 公式2那麼MOV2兩端的電壓為MOV3上電壓加上L3、L4上的電壓，即Um2=Um3+2U =1+1.25+1.25=3.5KV當然，MOV2兩端電壓不可能達到3.5KV，因為當電壓上升到1.8KV時，MOV2就會完全擊穿導通，電壓就會被箝位在1.8KV。同樣的，MOV1上的電壓等於MOV2兩端電壓加上L

13、3、L4上的電壓，即Um1=Um2+2U =1.8+1.25+1.25=4.3KV同樣，MOV1兩端電壓不可能達到4.3KV，因為當電壓上升到2.8KV時，MOV1就會完全擊穿導通，電壓就會被箝位在2.8KV。這樣，由於L1、L2、L3、L4的存在，將使得三級防雷器件都能擊穿導通，洩放衝擊電流，從而實現對電源模塊的保護。6.2 共模感應電壓抑制分析圖3電路對於從L或N引入對地的共模雷擊感應電壓的抑制作用分析同差模抑制分析類似。 若共模衝擊電流仍為10KA的8/20uS波形電流，並從N線侵入，則MOV4擊穿導通，其兩端電壓被箝位在0.85KV（溫度型熔絲F1的導通壓降可忽略）。同樣，電感L4上會

14、感應出1.25KV的電壓。氣體放電管GAS2的電壓為MOV4電壓與L4電壓之和，大於1.2KV，GAS2擊穿放電，保護作用得以實現。 若共模感應電壓從L線侵入，由於電路結構的不對稱性，將不同於N線的共模抑制方式。對於C級防雷器件，要實現從L線到地的擊穿導通，擊穿電壓應是MOV2與GAS2的電壓保護水平之和，即1.8KV+1.2KV=3.0KV。同理，對於B級防雷器件，要實現從L線到地的擊穿導通，擊穿電壓應應是MOV1與GAS1的電壓保護水平之和，即2.8KV+1.2KV=4.0KV。這樣的話，B、C級防雷器件應該更不容易擊穿導通。 當L與地之間侵入一個8/20uS波形的20KA電流時，根據公式

15、1，得di/dt=20KA/8uS=2.5*109A/S根據公式2，電感L1、L3產生的電壓為U=Ldi/dt=1uH*2.5*109A/S=2.5KV由於MOV5先導通，電壓被箝位在0.85KV，此電壓加上電感L3上的電壓2.5KV，則L3前端的電壓為0.85KV+2.5KV=3.35KV3.0KV，因此MOV2、GAS2擊穿導通，洩放電流，電壓被箝位在3.0KV，保護功能得以實現。 若L與地之間侵入一個8/20uS波形的10KA電流時，電感L1、L3上的電壓只有1.25KV，L3前端的電壓為0.85KV+1.25KV=2.1KV3.0KV，因此MOV2、GAS2不會擊穿導通。同樣，L1前端

16、的電壓為2.1KV+1.25KV=3.35KV4.0KV，因此MOV1、GAS1也不會擊穿導通。這樣，所有10KA衝擊電流都將從MOV5上通過，會導致MOV5的損壞。 從以上分析比較中我們發現，按照圖3中的多級防雷電路結構，若L1、L3的電感量只有1uH，則會出現對20KA衝擊電流有很好防護作用、但對於10KA衝擊電流卻失去了防護作用的現象，這就需要我們重新進行電路設計，調整防雷電路中的器件參數，實現真正可靠的防雷保護。6.3 電感L3的計算因為MOV5的通流能力Imax=4.5KA，對於從L線侵入的共模衝擊電流，假設4KA以下的電流只從MOV5洩放，而對於大於4KA的電流，就要求同時從MOV

17、2、GAS2上洩放，那麼L3前端的電壓就必須達到3.0KV，故電感L3上電壓U=3.0-0.85=2.15KV，根據下列公式可計算出L3的電感值。U=L3*di/dt2.15KV=L3*4KA/8uSL3=4.3uHL3要達到4.3uH，若用直導線實現，則需要4m多，為了縮短線長，可將導線作螺旋狀盤起，形成一個較大的電感。若還要減少線材用量，則可將線材繞低值磁芯實現，但要注意磁芯不能飽和，因為要承受數十KA的衝擊電流。這種能夠實現將電流洩放路徑由後端防雷器轉移到前端防雷器上的電感，我們稱之為退耦電感。 多級防雷電路的匹配是非常重要的，可以用退耦電感分壓的方式來實現各級防雷器件的擊穿動作時序，在

18、各級防雷器件上更合理的分配雷擊衝擊電流的大小，達到能防“大雷”也能防“小雷”的保護功能。7 線路板上的多級防雷電路設計圖4為通信電源對外RS485接口的防雷電路，最大可承受5KA的共模、差模衝擊電流，表3是圖中氣體放電管和TVS的主要參數。電路同樣利用了氣體放電管通流能力大、TVS管保護電壓低的優點，來實現對RS485通訊口的保護。如何發揮兩種防雷器件的優點，如何組合在電路中匹配使用，仍是設計的關鍵。這裡，同樣要利用電壓差來推動前級氣體放電管動作，只不過這裡不用電感來實現，而是利用電阻，因為電感會對正常的通訊功能造成影響，電路的具體設計說明如下。圖4 RS485對外接口防雷電路表3 圖4中防雷

19、器件主要參數防雷器件額定通流能力Imax(A)電壓保護水平Vp(V)GT15000700TVS1、TVS2、TVS35710.5當差模5KA衝擊電流侵入時，TVS2首先動作，並洩放電流，電壓被迅速箝位在10.5V左右，對後端電路實現了電壓保護。電流同時在電阻R1、R3上產生一個壓降U，計算如下U=（R1+R3）* i = 30iR2、R4上的壓降U同樣為30i，所以GT1兩端電壓為10.5+60i。GT1若要導通，電流i必須大到一定值，計算如下。10.5+60i = 700i=11.5A所以，當TVS2上的衝擊電流上升到11.5A時，電阻上的疊加電壓令GT1導通，幾乎所有電流都將從GT1被洩放

20、掉。 若共模5KA衝擊電流從“RS485+”侵入，TVS1將首先動作，並洩放電流，電壓被迅速箝位在10.5V左右。同時，電阻R1、R3上產生一個壓降U=（R1+R3）* i = 30i。GT1若要導通，電流i必須大到一定值，計算如下。10.5+30i = 700i=23A所以，當TVS1上的衝擊電流上升到23A時，電阻R1、R3上的疊加電壓令GT1導通，幾乎所有電流都將從GT1被洩放掉。 由於電路的對稱性，防雷電路對從“RS485-”侵入共模5KA衝擊電流的抑制作用的原理相同，GT1能與TVS3良好配合，將衝擊電流洩放掉。 圖中的4顆電阻，耐壓為350V，R1、R3串聯和R2、R4串聯的耐壓可達70