模擬雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理

1、電子設(shè)備雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

電子設(shè)備雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17626.5（等同于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-5 ）。

標(biāo)準(zhǔn)主要是模擬間接雷擊產(chǎn)生的各種情況：

（1）雷電擊中外部線路，有大量電流流入外部線路或接地電阻，因而產(chǎn)生的干擾電壓。

（2）間接雷擊（如云層間或云層內(nèi)的雷擊）在外部線路上感應(yīng)出電壓和電流。

（3）雷電擊中線路鄰近物體，在其周圍建立的強(qiáng)大電磁場(chǎng)，在外部線路上感應(yīng)出電壓。

（4）雷電擊中鄰近地面，地電流通過(guò)公共接地系統(tǒng)時(shí)所引進(jìn)的干擾。

標(biāo)準(zhǔn)除了模擬雷擊外，還模擬變電所等場(chǎng)合，因開(kāi)關(guān)動(dòng)作而引進(jìn)的干擾（開(kāi)關(guān)切換時(shí)引起電壓瞬變），如：

（1）主電源系統(tǒng)切換時(shí)產(chǎn)生的干擾（如電容器組的切換）。

（2）同一電網(wǎng)，在靠近設(shè)備附近的一些較小開(kāi)關(guān)跳動(dòng)時(shí)的干擾。

（3）切換伴有諧振線路的晶閘管設(shè)備。

（4）各種系統(tǒng)性的故障，如設(shè)備接地網(wǎng)絡(luò)或接地系統(tǒng)間的短路和飛弧故障。

標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種不同的波形發(fā)生器：

一種是雷擊在電源線上感應(yīng)生產(chǎn)的波形；

另一種是在通信線路上感應(yīng)產(chǎn)生的波形。

這兩種線路都屬于空架線，但線路的阻抗各不相同：在電源線上感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌波形比較窄一些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信線上感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌波形比較寬一些，但前沿要緩一些。后面我們主要以雷擊在電源線上感應(yīng)生產(chǎn)的波形來(lái)對(duì)電路進(jìn)行分析，同時(shí)也對(duì)通信線路的防雷技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2、模擬雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理

上圖是模擬雷電擊到配電設(shè)備時(shí)，在輸電線路中感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌電壓，或雷電落地后雷電流通過(guò)公共地電阻產(chǎn)生的反擊高壓，的脈沖產(chǎn)生電路。4kV時(shí)的單脈沖能量為100焦耳。

圖中Cs是儲(chǔ)能電容（大約為10uF，相當(dāng)于雷云電容）；

Us為高壓電源；

Rc為充電電阻；

Rs為脈沖持續(xù)時(shí)間形成電阻（放電曲線形成電阻）；

Rm為阻抗匹配電阻Ls為電流上升形成電感。

雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)對(duì)不同產(chǎn)品有不同的參數(shù)要求，上圖中的參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求不同，稍有改動(dòng)。

基本參數(shù)要求：

（1）開(kāi)路輸出電壓：0.5～6kV，分5等級(jí)輸出，最后一級(jí)由用戶與制造商協(xié)商確定；

（2）短路輸出電流：0.25～2kA，供不同等級(jí)試驗(yàn)用;

（3）內(nèi)阻：2 歐姆，附加電阻10、12、40、42歐姆，供其它不同等級(jí)試驗(yàn)用；

（4）浪涌輸出極性：正/負(fù)；浪涌輸出與電源同步時(shí)，移相0～360度；

（5）重復(fù)頻率：至少每分鐘一次。

雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)的嚴(yán)酷等級(jí)分為5級(jí)：

1級(jí)：較好保護(hù)的環(huán)境；

2級(jí)：有一定保護(hù)的環(huán)境；

3級(jí)：普通的電磁騷擾環(huán)境、對(duì)設(shè)備未規(guī)定特殊安裝要求，如工業(yè)性的工作場(chǎng)所；

4級(jí)：受嚴(yán)重騷擾的環(huán)境，如民用空架線、未加保護(hù)的高壓變電所。

X級(jí)：由用戶與制造商協(xié)商確定。

圖中18uF電容，可根據(jù)嚴(yán)酷等級(jí)不同，選擇數(shù)值也可不同，但大到一定值之后，基本上就沒(méi)有太大意義。

10歐姆電阻以及9uF電容，可根據(jù)嚴(yán)酷等級(jí)不同，選擇數(shù)值也不同，電阻最小值可選為0歐姆（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)就是這樣）， 9uF電容也可以選得很大，但大到一定值之后，基本上就沒(méi)有太大意義。

3、共模浪涌抑制電路

防浪涌設(shè)計(jì)時(shí)，假定共模與差模這兩部分是彼此獨(dú)立的。然而，這兩部分并非真正獨(dú)立，因?yàn)楣材６罅魅梢蕴峁┫喈?dāng)大的差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來(lái)模擬。

為了利用差模電感，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，共模與差模不應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，而應(yīng)該按照一定的順序來(lái)做。首先，應(yīng)該測(cè)量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網(wǎng)絡(luò)（Differential Mode Rejection Network），可以將差模成分消除，因此就可以直接測(cè)量共模噪聲了。如果設(shè)計(jì)的共模濾波器要同時(shí)使差模噪聲不超過(guò)允許范圍，那么就應(yīng)測(cè)量共模與差模的混合噪聲。因?yàn)橐阎材３煞衷谠肼暼菹抟韵?，因此超?biāo)的僅是差模成分，可用共模濾波器的差模漏感來(lái)衰減。對(duì)于低功率電源系統(tǒng)，共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問(wèn)題，因?yàn)椴钅］椛涞脑醋杩馆^小，因此只有極少量的電感是有效的。

對(duì)4000Vp以下的浪涌電壓進(jìn)行抑制，一般只需采用LC電路進(jìn)行限流和平滑濾波，把脈沖信號(hào)盡量壓低到2~3倍脈沖信號(hào)平均值的水平即可。由于L1、L2有50周電網(wǎng)電流流過(guò)，電感很容易飽和，因此，L1、L2一般都采用一種漏感很大的共模電感。

用在交流，直流的都有，通常我們?cè)陔娫碋MI濾波器，開(kāi)關(guān)電源中常見(jiàn)到，而直流側(cè)少見(jiàn)，在汽車電子中能夠看到用在直流側(cè)。

加入共模電感是為了消除并行線路上的共模干擾（有兩線的，也有多線的）。由于電路上兩線阻抗的不平衡，共模干擾最終體現(xiàn)在差模上。用差模濾波方法很難濾除。

共模電感到底需要用在哪。共模干擾通常是電磁輻射，空間耦合過(guò)來(lái)的，那么無(wú)論是交流還是直流，你有長(zhǎng)線傳輸，就涉及到共 模濾波就得加共模電感。例如：USB線好多就在線上加磁環(huán)。開(kāi)關(guān)電源入口，交流電是遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的，就需要加。通常直流側(cè)不需要遠(yuǎn)傳就不需要加了。沒(méi)有共模干擾，加了就是浪費(fèi)，對(duì)電路沒(méi)有增益。

電源濾波器的設(shè)計(jì)通常可從共模和差模兩方面來(lái)考慮。共模濾波器最重要的部分就是共模扼流圈，與差模扼流圈相比，共模扼流圈的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于它的電感值極高，而且體積又小，設(shè)計(jì)共模扼流圈時(shí)要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題是它的漏感，也就是差模電感。通常，計(jì)算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%，實(shí)際上漏感為共模電感的0.5% ～4%之間。在設(shè)計(jì)最優(yōu)性能的扼流圈時(shí)，這個(gè)誤差的影響可能是不容忽視的。

漏感的重要性

漏感是如何形成的呢？緊密繞制，且繞滿一周的環(huán)形線圈，即使沒(méi)有磁芯，其所有磁通都集中在線圈“芯”內(nèi)。但是，如果環(huán)形線圈沒(méi)有繞滿一周，或者繞制不緊密，那么磁通就會(huì)從芯中泄漏出來(lái)。這種效應(yīng)與線匝間的相對(duì)距離和螺旋管芯體的磁導(dǎo)率成正比。共模扼流圈有兩個(gè)繞組，這兩個(gè)繞組被設(shè)計(jì)成使它們所流過(guò)的電流沿線圈芯傳導(dǎo)時(shí)方向相反，從而使磁場(chǎng)為0。如果為了安全起見(jiàn)，芯體上的線圈不是雙線繞制，這樣兩個(gè)繞組之間就有相當(dāng)大的間隙，自然就引起磁通“泄漏”，這即是說(shuō)，磁場(chǎng)在所關(guān)心的各個(gè)點(diǎn)上并非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實(shí)上，與差模有關(guān)的磁通必須在某點(diǎn)上離開(kāi)芯體，換句話說(shuō)，磁通在芯體外部形成閉合回路，而不僅僅只局限在環(huán)形芯體內(nèi)。

一般CX電容可承受4000Vp的差模浪涌電壓沖擊，CY電容可承受5000Vp的共模電壓沖擊。正確選擇L1、L2和CX2、CY參數(shù)的大小，就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌電壓。但如果兩個(gè)CY電容是安裝在整機(jī)線路之中，其總?cè)萘坎荒艹^(guò)5000P，如要抑制浪涌電壓超過(guò)4000Vp，還需選用耐壓更高的電容器，以及帶限幅功能的浪涌抑制電路。

所謂抑制，只不過(guò)是把尖峰脈沖的幅度降低了一些，然后把其轉(zhuǎn)換成另一個(gè)脈沖寬度相對(duì)比較寬，幅度較為平坦的波形輸出，但其能量基本沒(méi)有改變。

兩個(gè)CY電容的容量一般都很小，存儲(chǔ)的能量有限，其對(duì)共模抑制的作用并不很大，因此，對(duì)共模浪涌抑制主要靠電感L1和L2，但由于L1、L2的電感量也受到體積和成本的限制，一般也難以做得很大，所以上面電路對(duì)雷電共模浪涌電壓抑制作用很有限。

圖（a）中L1與CY1、 L2與CY2，分別對(duì)兩路共模浪涌電壓進(jìn)行抑制，計(jì)算時(shí)只需計(jì)算其中一路即可。?對(duì)L1進(jìn)行精確計(jì)算，須要求解一組2階微分方程，結(jié)果表明：電容充電是按正弦曲線進(jìn)行，放電是按余弦曲線進(jìn)行。但此計(jì)算方法比較復(fù)雜，這里 采用比較簡(jiǎn)單的方法。

假說(shuō)，共模信號(hào)是一個(gè)幅度為Up、寬度為τ的方波，以及CY電容兩端的電壓為Uc，測(cè)流過(guò)電感的電流為一寬度等于2τ的鋸齒波：

流過(guò)電感的電流為：

流過(guò)電感的最大電流為：

在2τ期間流過(guò)電感的平均電流為：

由此可以求得CY電容在2τ期間的電壓變化量為：

上面公式是計(jì)算共模浪涌抑制電路中電感L和電容CY參數(shù)的計(jì)算公式，式中，Uc為CY電容兩端的電壓，也是浪涌抑制電路的輸出電壓，?Uc為CY電容兩端的電壓變化量，但由于雷電脈沖的周期很長(zhǎng)，占空比很小，可以認(rèn)為Uc = ?Uc，Up為共模浪涌脈沖的峰值，q為CY電容存儲(chǔ)的電荷，τ為共模浪涌脈沖的寬度，L為電感，C為電容。

根據(jù)上面公式，假設(shè)浪涌峰值電壓Up=4000Vp，電容C=2500p，浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=2000Vp，則需要電感L的數(shù)值為1H。顯然這個(gè)數(shù)值非常大，在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)，所以上面電路對(duì)雷電共模抑制的能力很有限，此電路還需進(jìn)一步改進(jìn)。

差模浪涌電壓抑制，主要是靠圖中的濾波電感L1、L2 ，和濾波電容CX ，L1、L2濾波電感和CX濾波電容等參數(shù)的選擇，同樣可以用下面公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

但上式中的L應(yīng)該等于L1和L2兩個(gè)濾波電感之和，C=CX，Uc等于差模抑制輸出電壓。一般，差模抑制輸出電壓應(yīng)不大于600Vp，因?yàn)楹芏?a target="_blank">半導(dǎo)體器件和電容的最大耐壓都在此電壓附近，并且，經(jīng)過(guò)L1和L2兩個(gè)濾波電感以及CX電容濾波之后，雷電差模浪涌電壓的幅度雖然降低了，但能量基本上沒(méi)有降低，因?yàn)榻?jīng)過(guò)濾波之后，脈沖寬度會(huì)增加，一旦器件被擊穿，大部分都無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。

根據(jù)上面公式，假設(shè)浪涌峰值電壓Up=4000Vp，脈沖寬度為50uS，差模浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=600Vp，則需要LC的數(shù)值為14mH×uF。顯然，這個(gè)數(shù)值對(duì)于一般電子產(chǎn)品的浪涌抑制電路來(lái)說(shuō)還是比較大的，相比之下，增加電感量要比增加電容量更有利，因此最好選用一種有3個(gè)窗口、用矽鋼片作鐵芯，電感量相對(duì)較大（大于20mH）的電感作為浪涌電感，這種電感共模和差模電感量都很大，并且不容易飽和。順便指出，整流電路后面的電解濾波電容，同樣也具有抑制浪涌脈沖的功能，如果把此功能也算上，其輸出電壓Uc就不能選600Vp，而只能選為電容器的最高耐壓Ur（400Vp）。

4、雷擊浪涌脈沖電壓抑制常用器件

避雷器件主要有陶瓷氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、半導(dǎo)體閘流管（TVS）、浪涌抑制電感線圈、X類浪涌抑制電容等，各種器件要組合使用。

氣體放電管的種類很多，放電電流一般都很大，可達(dá)數(shù)十kA，放電電壓比較高，放電管從點(diǎn)火到放電需要一定的時(shí)間，并且存在殘存電壓，性能不太穩(wěn)定；氧化鋅壓敏電阻伏安特性比較好，但受功率的限制，電流相對(duì)比放電管小，多次被雷電過(guò)流擊穿后，擊穿電壓值會(huì)下降，甚至?xí)?；半?dǎo)體TVS管伏安特性最好，但功率一般都很小，成本比較高；浪涌抑制線圈是最基本的防雷器件，為防流過(guò)電網(wǎng)交流電飽和，必須選用三窗口鐵芯；X電容也是必須的，要選用容許紋波電流較大的電容。

氣體放電管

氣體放電管指作過(guò)電壓保護(hù)用的避雷管或天線開(kāi)關(guān)管一類，管內(nèi)有二個(gè)或多個(gè)電極，充有一定量的惰性氣體。氣體放電管是一種間隙式的防雷保護(hù)元件，它用在通信系統(tǒng)的防雷保護(hù)。

放電管的工作原理是氣體間隙放電i當(dāng)放電管兩極之間施加一定電壓時(shí)，便在極間產(chǎn)生不均勻電場(chǎng)：在此電場(chǎng)作用下，管內(nèi)氣體開(kāi)始游離，當(dāng)外加電壓增大到使極間場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)氣體的絕緣強(qiáng)度時(shí)，兩極之間的間隙將放電擊穿，由原來(lái)的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，導(dǎo)通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平，這種殘壓一般很低，從而使得與放電管并聯(lián)的電子設(shè)備免受過(guò)電壓的損壞。

氣體放電管有的是以玻璃作為管子的封裝外殼．也有的用陶瓷作為封裝外殼，放電管內(nèi)充入電氣性能穩(wěn)定的惰性氣體（如氬氣和氖氣等），常用放電管的放電電極一般為兩個(gè)、三個(gè)，電極之間由惰性氣體隔開(kāi)。按電極個(gè)數(shù)的設(shè)置來(lái)劃分，放電管可分為二極、三極放電管。

陶瓷二極放電管由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要部件構(gòu)成。管內(nèi)放電電極上涂覆有放射性氧化物，管體內(nèi)壁也涂覆有放射性元素，用于改善放電特性。放電電極主要有桿形和杯形兩種結(jié)構(gòu)，在桿形電極的放電管中，電極與管體壁之間還要加裝一個(gè)圓筒熱屏，該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨于均勻，不致出現(xiàn)局部過(guò)熱而引起管斷裂。熱屏內(nèi)也涂覆放射性氧化物，以進(jìn)一步減小放電分散性。在杯形電極的放電管中，杯口處裝有鉬網(wǎng)，杯內(nèi)裝有銫元素，其作用也是減小放電分散性。

三極放電管也是由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等部件構(gòu)成。與二極放電管不同，在三極放電管中增加了鎳鉻鈷合金圓筒，作為第三極，即接地電極。

主要參數(shù)：

（1）直流擊穿電壓。此值由施加一個(gè)低上升速率（dv/dt=100V/s）的電壓值來(lái)決定。

（2）沖擊（或浪涌）擊穿電壓。它代表放電管的動(dòng)態(tài)特性，常用上升速率為dv/dt=1kV/us的電壓值來(lái)決定。

（3）標(biāo)稱沖擊放電電流。8/20us波形（前沿8us，半峰持續(xù)時(shí)間20us）的額定放電電流，通常放電10次。

（4）標(biāo)準(zhǔn)放電電流。通過(guò)50Hz交流電流的額定有效值，規(guī)定每次放電的時(shí)間為1s，放電10次。

（5）最大單次沖擊放電電流。對(duì)8/20us電流波的單次最大放電電流。

（6）耐工頻電流值。對(duì)8/20us電流波的單次最大放電電流。對(duì)50Hz交流電，能經(jīng)受連續(xù)9個(gè)周波的最大電流的有效值。

（7）絕緣電阻。對(duì)8/20us電流波的單次最大放電電流。對(duì)50Hz交流電，能經(jīng)受連續(xù)9個(gè)周波的最大電流的有效值。

（8）電容。放電管電極間的電容，一般在2～10pF之間，是所有瞬變干擾吸收器件中最小的。

金屬氧化物壓敏電阻

壓敏電阻一般都是以氧化鋅為主要成分，另加少量的其它金屬氧化物（顆粒），如：鈷、猛、鉍等壓制而成。由于兩種不同性質(zhì)的物體組合在一起，相當(dāng)于一個(gè)PN結(jié)（二極管），因此，壓敏電阻相當(dāng)于眾多的PN結(jié)串、并聯(lián)組成。

5、超高浪涌電壓抑制電路

實(shí)例1

上圖是一個(gè)可抗擊較強(qiáng)雷電浪涌脈沖電壓的電原理圖，圖中：G1、G2為氣體放電管，主要用于對(duì)高壓共模浪涌脈沖抑制，對(duì)高壓差模浪涌脈沖也同樣具有抑制能力；VR為壓敏電阻，主要用于對(duì)高壓差模浪涌脈沖抑制。經(jīng)過(guò)G1、G2和VR抑制后，共模和差模浪涌脈沖的幅度和能量均大幅度降低。

G1、G2的擊穿電壓可選1000Vp~3000Vp，VR的壓敏電壓一般取工頻電壓最大值的1.7倍。

G1、G2擊穿后會(huì)產(chǎn)生后續(xù)電流，一定要加保險(xiǎn)絲以防后續(xù)電流過(guò)大使線路短路。

實(shí)例2

增加了兩個(gè)壓敏電阻VR1、VR2和一個(gè)放電管G3，主要目的是加強(qiáng)對(duì)共模浪涌電壓的抑制，由于壓敏電阻有漏電流，而一般電子產(chǎn)品都對(duì)漏電流要求很嚴(yán)格（小于0.7mAp），所以圖中加了一個(gè)放電管G3，使平時(shí)電路對(duì)地的漏電流等于0。G3的擊穿電壓要遠(yuǎn)小于G1、G2的擊穿電壓，采用G3對(duì)漏電隔離后，壓敏電阻VR1或VR2的擊穿電壓可相應(yīng)選得比較低，VR1、VR2對(duì)差模浪涌電壓也有很強(qiáng)的抑制作用。

實(shí)例3

G1是一個(gè)三端放電管，它相當(dāng)于把兩個(gè)二端放電管安裝在一個(gè)殼體中，用它可以代替上面兩個(gè)實(shí)例中的G1、G2放電管。除了二端、三端放電管之外，放電管還有四端、五端的，各放電管的用途也不完全相同。

實(shí)例4

增加了兩個(gè)壓敏電阻（VR1、VR2），主要目的是為了隔斷G1擊穿后產(chǎn)生的后續(xù)電流，以防后續(xù)電流過(guò)大使輸入電路短路，但由于VR1、VR2的最大峰值電流一般只有G1的幾十分之一，所以，本實(shí)例對(duì)超高浪涌電壓的抑制能力相對(duì)實(shí)例3要的抑制能力差很多。

實(shí)例5 直接在PCB板上制作避雷裝置

在PCB板上直接制作放電避雷裝置，可以代替防雷放電管，可以抑制數(shù)萬(wàn)伏共?；虿钅＠擞侩妷簺_擊，避雷裝置電極之間距離一般要求比較嚴(yán)格，輸入電壓為AC110V時(shí)，電極之間距離可選4.5mm，輸入電壓為AC220V時(shí)，可選6mm；避雷裝置的中間電極一定要接到三端電源線與PCB板連接的端口上。

實(shí)例6 PCB板氣隙放電裝置代替放電管

在PCB板上直接制作氣隙放電裝置，正常放電電壓為每毫米1000~1500V，4.5mm爬電距離的放電電壓大約為4500~6800Vp，6mm爬電距離的放電電壓大約為6000~9000Vp。

6、各種防雷器件的連接

避雷器件的安裝順序不能搞錯(cuò)，放電管必須在最前面，其次是浪涌抑制電感和壓敏電阻（或放電管），再其次才是半導(dǎo)體TVS閘流管或X類電容及Y類電容。

審核編輯 ：李倩