雷擊實(shí)驗(yàn)配置、差模及共模干擾路徑分析和設(shè)計(jì)原則分享

雷擊是常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，也是電源適配器最主要的電壓應(yīng)力來(lái)源。如果防護(hù)不當(dāng)會(huì)造成電源損壞或重啟，從而影響電子設(shè)備正常工作，因此電源適配器需滿足安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)定義的雷擊電壓等級(jí)要求。

本期芯朋微技術(shù)團(tuán)隊(duì)將為大家分享雷擊標(biāo)準(zhǔn)、雷擊實(shí)驗(yàn)配置、差模及共模干擾路徑分析和設(shè)計(jì)原則。

雷擊標(biāo)準(zhǔn)

IEC61000-4-5為常用的雷擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其定義及實(shí)驗(yàn)規(guī)程如下：

一般情況下，在交流線路上施加±1kV~±6kV的浪涌電壓。試驗(yàn)源為測(cè)試設(shè)備（EUT）的交流線路和系統(tǒng)外殼的接地點(diǎn)。測(cè)試過(guò)程中，EUT直接暴露在浪涌能量下，必須完好無(wú)損，雷擊測(cè)試完成后，還能繼續(xù)正常工作。

雷擊實(shí)驗(yàn)的配置

圖3 差模雷擊配置示意圖

圖4 共模雷擊配置示意圖

雷擊發(fā)生器內(nèi)部有2個(gè)模塊，分別是解耦網(wǎng)絡(luò)和耦合網(wǎng)絡(luò)。解耦網(wǎng)絡(luò)的作用是將耦合網(wǎng)絡(luò)施加到EUT相線上的雷擊能量與供電的相線隔離開(kāi)。耦合網(wǎng)絡(luò)的作用是通過(guò)耦合電容將理想的雷擊發(fā)生波施加到EUT的相線上。

如圖3所示：差模雷擊的耦合能量在EUT的相線L和N之間傳遞。而通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn)共模雷擊的耦合能量在EUT的相線L（N）和PE之間傳遞。

差模干擾路徑分析及設(shè)計(jì)原則

路徑分析

圖5 差模雷擊電流示意圖

由于不同的實(shí)際電路配置會(huì)對(duì)系統(tǒng)差模雷擊分析產(chǎn)生不同影響，因此，我們通過(guò)上圖電路對(duì)差模雷擊的影響做一個(gè)簡(jiǎn)要的分析。

差模雷擊能量通過(guò)耦合網(wǎng)絡(luò)，輸入EUT的相線L和N，保險(xiǎn)絲F1，和壓敏MOV1形成回路1，產(chǎn)生差模電流1；

差模雷擊能量通過(guò)回路1衰減后，經(jīng)熱敏電阻RT1，整流橋，電解電容EC1形成回路2，產(chǎn)生差模電流2；

差模雷擊能量通過(guò)回路1和2衰減后，經(jīng)差模電感L1，電解電容EC2形成回路3，產(chǎn)生差模電流3。

設(shè)計(jì)原則

MOV1的加入可以吸收差模電流1的能量，保護(hù)整流橋BD1和電解電容EC1和EC2?；芈?相當(dāng)于雷擊浪涌能量的第1道防洪壩，由于該回路電流較大，PCB銅箔寬度建議0.5mm/kV;

高阻值的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻RT1的加入可以分擔(dān)差模電流2施加到EC1上的能量，保護(hù)整流橋BD1和電解電容EC1，回路2相當(dāng)于第2道防洪壩；

輸入差模電感的阻抗可以分擔(dān)差模電流3施加到EC2上的能量，回路3相當(dāng)于第3道防洪壩，由于EC2上存在幾百伏的雷擊能量殘壓，所以原邊功率管建議采用高雪崩耐量功率MOSFET。

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于PN8390的12V1.5A適配器，4kV（90°）差模雷擊測(cè)試如下圖所示：

圖6 4kV差模雷擊測(cè)試波形圖

由測(cè)試波形可見(jiàn)：EC1最高電壓756V，EC2最高電壓556V，PN8390最高電壓779V。因此，為提高電源適配器的抗差模雷擊能力，除合理選擇MOV和NTC電阻外，應(yīng)選擇高鋁箔電壓電解電容和高雪崩耐量功率MOSFET。

共模干擾路徑分析及設(shè)計(jì)原則

路徑分析

圖7 雷擊共模電流的流向圖

共模雷擊發(fā)生時(shí)兩路主要的共模電流路徑（以負(fù)電壓為例）：

共模電流1：雷擊能量施加到輸出的地，通過(guò)輸出共模電感→次級(jí)參考地→CY1→輸入電解電容的正→整流橋→輸入共模電感→L線或N線。

共模電流2：雷擊能量施加到輸出的地，通過(guò)輸出共模電感→次級(jí)參考地→輸出電解的正→變壓器→輔助繞組的地→輸入電解電容的負(fù)→整流橋→輸入共模電感→L線或N線。

設(shè)計(jì)原則考慮共模電流路徑因素，優(yōu)化PCB布線：輸入共模和Y電容增加放電針，原邊控制器的地與變壓器的地分別接到輸入電解電容負(fù)極，同步整流芯片的地與Y電容的地分別接到輸出電解電容負(fù)極；

為了防止共模電流干擾同步整流芯片，優(yōu)先選用雙供電同步整流芯片，如PN8309H，并在Vin腳串聯(lián)10~22Ω電阻；

為了防止共模電流干擾原邊主控芯片，應(yīng)在Vdd供電回路串聯(lián)電阻，將Vdd電解電容緊靠芯片引腳，并增加100nF去耦電容。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果基于PN8309H的12V3A適配器6.6kV共模雷擊測(cè)試如下圖所示：

圖8 6.6kV共模雷擊測(cè)試波形圖

由測(cè)試波形可見(jiàn)，PN8309H的SW、Vin、Vcc電壓分別為161V、25V、19V。因此，為提高電源適配器的抗共模雷擊能力，除合理Layout和增加濾波電容外，優(yōu)先選用雙供電及集成高雪崩耐量MOSFET的同步整流芯片。結(jié)束語(yǔ)

電源抗雷擊能力設(shè)計(jì)是困擾不少電源工程師的難題之一，最佳的設(shè)計(jì)原則是合理的PCB走線，加上更優(yōu)的器件選型。一旦出現(xiàn)雷擊失效，則需要從失效瞬態(tài)工作波形入手，結(jié)合原理分析和器件特性，找出根因并加以改善。

原文標(biāo)題：【干貨】電源適配器雷擊設(shè)計(jì)寶典

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