电子设备内部电路的过电压防护分析与研究

1、电子设备内部电路的过电压防护分析与研究罗骕翾(南京气象学院电子工程系, 南京 210044)摘要 随着微电子技术的迅速发展，计算机等电子设备得以广泛应用，但是由于其耐压能力弱，过电压成为损坏这类弱电电子设备的重要因素，因此过电压的防护十分重要。本文着重叙述了电子设备内部电路的过电压防护原理和保护电路，并对在保护中遇到的问题进行分析和解决。Abstract Along with the quick development in micro-electronics technical ,the application of the equipments in electronics and com

2、puters are widely used. The protection of the overvoltage is becoming very important because the overvoltage has turned into the important factor in damaging this type of equipments which ability in enduring overvoltage is very weak. This text emphasize on the protecting circuit and the principle of

3、 the internal electric circuit that protect the electric equipments.Resolve and analysis the problems which may meet in protection.关键词 电子设备 电路 过电压 防护 雷电Key Words electronics equipments circuit overvoltage protection Lightning引 言随着国民经济的不断发展，计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)、显示技术(CRT)等

4、得以快速发展和广泛应用，但是由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元，其对暂态过电压的承受能力大幅降低，成为受雷电损害的主要设备。所以对电子设备采取有效的保护措施是非常必要的，明析暂态过电压产生途径和危害是正确采取防护措施的前提。一、暂态过电压的产生暂态过电压是指在微妙至毫秒之内所产生的的尖峰冲击电压而非一般电源上的所谓过压(一般电源过压可能维持数秒及以上)，暂态 过电压有两种产生途径：雷击和电气开关动作。 1、一般构筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害，雷击会通过以下两种方式破坏电子设备：直击到电源输入线，经电源线进入而损害设备，因电力线上安装的各种保护间隙和电力避雷器，只

5、可把线对地的电压限制到小于6000伏(IEEE C62.41)，而线对线无法控制。以感应方式(电阻性、电感性、电容性)耦合到电源、信号线上，最终损害设备。 2、当电流在导体上流动时，会产生磁场存储能量并与电流大小和导线长度成正比，当电器设备(大负荷)开关时会便产生暂态过电压而损害设备。二、暂态过电压对电子设备的危害暂态过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失，至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪；重复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来较大损失。三、过电压保护的基本原理在暂态过电压存在的极短时间内，在被保护区域内的所有导电部件之间建立起一个等电

6、位。这种导电部件也包括电路中的有源导线。人们需要响应速度快于微秒的元件，对于静电放电甚至快于毫微秒。这种元件能够在极短的时间间隔内，将非常强大直到高达数倍于十千安的电流导出。四、各类电路的过电压防护1、 信号电路的过电压防护 基本信号电路的过电压防护电子设备的过电压防护应该遵循两个基本原则：一是保护装置能够尽快尽量地讲过电压及过电压波泄放拦截，尽可能不让过电压及过电压波通过耦合、转移、感应等方式传输到电子设备上，使电子设备受到威胁；二是保护装置应该尽可能地不影响正常信号的传输，不影响电子设备的正常工作。现在以雷电暂态过电压为例，叙述高频电路的过电压防护。首先，我们通过对雷电流的频谱分析知道：雷

7、电流主要分布在低频部分，且随着频率的升高而递减。90%以上的雷电能量分布在频率为10kHz以下。也就是说，知要防止10kHz以下频率的雷电流窜入，就能够将雷电流的能量削减90%以上。根据这一性质，可以采用将高频信号与雷电流分离的方法，使雷电流引入大地而基本上不损耗正常信号。其基本原理如图1所示。由电工学原理可知，电容器的容抗为Xc=1C=12fC，与频率成反比；电感器的感抗为XlL2fl，与频率成正比。式中为电源的角频率，单位为弧度秒，f为电源频率，单位为Hz。对一个高频信号来讲，很容易通过电容C进入电子设备，而分布在较低频率上的雷电流通过较小的电容器会产生很大的压降；相反，高频信号在电感L上

8、会产生很大的压降，不易通过。而低频的雷电流在电感上可以通过较小的感抗泄流，从而保护电子设备。以图1为例，假设C=200pf,L=4uH；以电视第一频道频率52.5MHz计算，雷电流为10KHz计算：对于电视信号 电容的容抗为Xc=1C=12fC=1/（2*52.5*106*200*10*-12） =15对于雷电流 电容的容抗为 Xc=1C=12fC=1/（2*10*103*200*10-12） =8*104由此可见，雷电流的容抗是电视信号容抗的5300倍。相反, 对于电视信号 电感的感抗为  XlL2fl2*52.5*106*4*10-6=1320对于雷电流 电感的感抗为 

9、XlL2fl2*10*103*4*10-6=0.25可见，雷电流受到的电抗是信号受到电抗的大约1/5280。综上所述，经过这样的LC网络以后，电流将被分流入地，而信号的损失很小。LC电流法的可靠性很高，但因为它始终存在插入损耗和驻波的问题，会对信号产生干扰。另外，采用气体放电管、雪崩二极管、普通二极管等保护元件对信号线路实施保护气体放电管的级间绝缘电阻很大、通流容量较大、寄生电容很小，对高频电子线路的过电压防护具有明显的优势。但是由于其响应时间较长，雷电暂态过电压可能还没有使气体放电管动作就已经耦合到电子设备上，使电子设备遭到损坏。所以我们将气体放电管与响应时间较小的二极管组合起来保护电子设备

10、。其保护电路入图2所示。 图2 信号线路的保护电路它由放电管G1、G2，普通二极管D1、D3，雪崩二极管D2、D4，电阻R，电感L构成。实际上是一个二级保护电路。第一级放电管G1、G2用于旁路泄放暂态大电流，第二级的普通二极管和雪崩二极管D1、D2、D3、D4用于箝位限压、抑制共模电压，保护后面的电子设备或元器件。介于这两极之间的电阻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的作用。两条串联支路上的电阻R和电感L应具有相同的数值，以保持电路结构的对称平衡。0由于电路的对称平衡性，可只对一半电路进行分析。当暂态过电压沿信号线路传输到达保护电路后，由于放电管具有较高的放电电压及响应时间，

11、它并不能很快导通。在G1尚未放电前，D1或D2将首先击穿，是D1、D2支路导通，并流过暂态电流。随着该支路暂态电流的增大，R、L支路的压降也相应增大。这一压降加于G1两端，就促使G1尽早动作放电。当G1放电以后，它将提供一条旁路泄放暂态过电流的通道，同时它也起限制过电压的作用，并实施对R、L、 D1、D2的保护。此外，G1放电导通后，它将呈现低阻态，能产生反极性的反射波来削减来波的波头上升陡度。值得一提的是采用两个二极放电管存在一个缺点：由于两级放电管的特性不一致将会在保护电路中产生差模过电压。这些差模过电压作用在被保护的电子设备，将会干扰设备的正常运行。分析如下：在共模过电压u的作用下，两个

12、放电管G1、G2的动作特性不能保证完全一致，两者存在一定的放电分散性，这就使得G1和G2不能保证在同一时刻放电。假如G1在t1时刻放电，G2在t2时刻放电，于是在t1 t2这段时间间隔内，A、B两线端之间将产生差模过电压；同样，G1和G2的灭弧时间也不一致，假如G1在t3时刻灭弧，G2在t4时刻灭弧，在t3 t4这段时间间隔内，A、B两线端之间将再次产生差模过电压。为了限制共模过电压向差模过电压的这种转化，我们采用一个三极放电管G3来代替两个二极放电管。三极放电管在结构上将两对电机同置于一个管体内，使得两对极之间具有良好的对称性，能大幅度地减小管子的放电导通和截断放电的时间差，因此它能够有效地

13、抑制共模过电压向差模过电压转化，从而能够较为显著地改善保护效果。对于直接抑制差模过电压G3虽然能有效地抑制共模过电压向差模过电压的转化，但是却不能直接抑制差模过电压。因为三极放电管在差模过电压作用下放电后，被保护的电子设备承受的仍然是两电极对地的残压之和，这一电压有可能使电子设备耐受不乐而造成设备损坏。基于这样的情况，我们在第二级的保护中采用两个雪崩二极管D5、D6来直接抑制差模过电压，其保护电路如图3所示： 图3 信号线路的改进保护电路D1、D2箝制线路中一条信号线的对地电位为±Uz(Uz为管子的击穿电压)，而D3、D4箝制另一条线号线的对地电位也是±Uz，如果没有D5、

14、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2 Uz，利用D5、D6可以将这种差模电压限制到Uz 。采用雪崩二极管和处于正偏的普通二极管串联使用一是为了抑制共模过电压；二是为了减小二极管的寄生电容。普通的二极管的寄生电容约为50pF,该电容与雪崩二极管的寄生电容串联后，其总的支路电容将有大幅度减小。在被保护电子设备运行时，当a、b两线之间的电压超过0.6V后，普通二极管即开始导通，同时向雪崩二极管的寄生电容充电，一旦将其充满，作用在普通二极管上的电压将会小于0.6V，使它停止导通，则这条支路将不再从系统中吸收电流，处于开路状态，从而不影响设备

15、的正常工作。三极放电管的直流放电电压一般比较高，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。因为L能在暂态过电压波到来时，产生一个足够高的反射波电压与来波相叠加，叠加后的总电压施加于G3的极间，能促使其尽快动作放电。2直流电源的过电压防护 简单的直流电源的过电压防护简单的直流电源主要由电源变压器、整流器、滤波电容、稳压电路和其他一些配件组合，过电压的防护主要对这些元器件进行防护。简单直流电源的过电压防护电路如图4： 图4 简单直流电源的保护在该途中，三个压敏电阻M1、M2、M3装设于电源变压器的原边，M1、M2用来抑制来自交流电源线路上的共模暂态过电压，M3用来抑制

16、来自交流电源线路上的差模暂态过电压，雪崩二极管D1用于保护变压器副边的整流器、滤波电容C、稳压器。D1的击穿电压Uz应该选得略低于稳压器的最大容许输出电压和滤波电容的耐受典雅，同时Uz又应该大于正常运行时稳压器的最大输入电压。由于暂态过电压可能会出现在稳压器的输出端，例如暂态过电压波从信号线路经放大器到达稳压器的输出端，引起稳压器输出端与输入端之间的反向过电压能够造成稳压器的破坏。为了防护这种过电压，可以采取一只普通二极管D2跨接于稳压器的输出端与输入端之间，利用D1与D2的配合来抑制这种反向过电压。开关电源的过电压防护开关电源的过电压防护电路如图5所示： 图5 开关电源保护电路在该图中，一对

17、开关K1和K2常为双极晶体管或功率场效应管，控制电路能根据负载电压的大小来反馈控制K1和K2各自的闭合时间。由于来自交流电源侧的暂态过电压能直接侵入整流器和开关K1和K2，对于这种开关电源的过电压防护要比对简单直流电源的过电压防护要困难一些。我们在整流器的交流电源侧装两个压敏电阻M1和M2，以及串联的LR支路，其中压敏电阻主要抑制共模暂态过电压，电感L(R为其线圈的电阻)用于抑制持续时间短的差模暂态过电压，以保护滤波器电容C1和开关K1与K2，L的数值一般可取为几十到一百µH。在线间差模过电压作用下，滤波电容C1上出现的过电压实际上含三个分量：由暂态脉冲电流对C1充电所引起的压降分量

18、。由暂态脉冲电流流过C1中等值损耗串联电阻产生的压降分量。由暂态脉冲电流变化率在C1寄生电感上产生的压降分量。电感L既可以限制暂态脉冲电流的幅值，又可以限制暂态脉冲电流的变化率，因此 可以有效地限制在暂态过程中C1上出现的过电压。当L的线圈电阻很小时，可以再外接一个电阻，使该串联支路的总店组值达到1左右，利用这个电阻可以限制开关电源在C1处于无电荷状态下接通时出现的涌流，也可以阻尼由LC回路引起的振荡。为了对C1提供一个附加的箝位限压措施，将雪崩二极管D并于C1两端,D也可以进一步降低作用在开关上的过电压，D与压敏电阻M1和M2以及它们之间的配合元件L，R实际上构成了一个两级保护电路。3从波的

19、传播和衰减分析和设计保护电路下面以两个保护电路为例来说明这个问题： 电子设备直流供电电路的防护无论多么完整的交流电源防护，也不能代替直流供电电路的过电压防护。因为如图6所示图6 来自交流电源和信号线的过电压脉冲对直流供电的电子设备的威胁 从交流侧和数据线侧来的大量过电压和噪声干扰都会导致电子设备的故障。分析来自交流电源的干扰如：由ac侧传到dc侧的波会作用于所有电子回路；来自数据线的暂态过电压经过放大器，再到供电线，从而危及电子设备；dc侧的调压器故障能产生持续的高电压，它能损坏电子设备；一个负荷需要dc电流有大的时间变化率，在ac母线上将有大的波动，此电压波动由dc电源中的寄生电抗造成，图5

20、中的大的di3/dt也会影响供电电压，从而波及两侧的负荷设备。 对通过变压器的过电压和噪音的防护图7 直流供电回路对来自交流回路过电压和噪声的冗余保护 图7中，除对共模防护的V1、V2两个MOV外，还需对跨于主干线上的过电压进行防护，即安装V3(MOV)。这不只保护变压器，更重要的是保护整流器、滤波电容及调压器。例如一次侧为220V，在二次侧为28V(rms)，变比为：1:0.127。如果V3将初级电压限制到550V，则次级电压峰值将变为70V，这是假定暂态过电压的变换与工频变换相同。但是这一假定是不成立的。暂态波的变换，除磁的变换外，还有静电分量的耦合。由于变压器的寄生电容和每个线圈的串联泄漏电感的存在，铁芯材料在高频下的特性与工频时不同，而通过变压器的强磁场耦合对暂态过电压是更重要的。由于这些高频特性决定于每个特定变压器的结构，这些特性在变压器制造厂的规格是不给出的，所以不能预先确定转换过来的暂态过电压。如果一二次侧间的寄生电容较小，则波变换的静电分量较小，耦合到二次侧的过电压不会引起什么问题，不会像V3那样达到隔界值。过去曾在图6中的V1、V2、V3处并联保护电容。陶瓷电容约520nF，dc试验电压至少1.4kV。广泛应用氧化MOV以后，直径20mm的芯片即共有约2nF的寄