雷擊浪涌，防護(hù)有妙招

硬件筆記本 · 發(fā)表于 2024-9-18 07:43:00

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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)的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17626.5（等同于國際標(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，在外部線路上感應(yīng)出電壓。
  （4）雷電擊中鄰近地面，地電流通過公共接地系統(tǒng)時所引進(jìn)的干擾。

標(biāo)準(zhǔn)除了模擬雷擊外，還模擬變電所等場合，因開關(guān)動作而引進(jìn)的干擾（開關(guān)切換時引起電壓瞬變），如：
  （1）主電源系統(tǒng)切換時產(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關(guān)跳動時的干擾。
  （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。關(guān)注公眾號：硬件筆記本

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)的波形來對電路進(jìn)行分析，同時也對通信線路的防雷技術(shù)進(jìn)行簡單介紹。

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，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公共地電阻產(chǎn)生的反擊高壓的脈沖產(chǎn)生電路。4kV時的單脈沖能量為100焦耳。

圖中Cs是儲能電容（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。關(guān)注公眾號：硬件筆記本

基本參數(shù)要求：
（1）開路輸出電壓：0.5～6kV，分5等級輸出，最后一級由用戶與制造商協(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，供其它不同等級試驗(yàn)用；
（4）浪涌輸出極性：正/負(fù)；浪涌輸出與電源同步時，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)酷等級分為5級：

1級：較好保護(hù)的環(huán)境；

2級：有一定保護(hù)的環(huán)境；

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

4級：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：由用戶與制造商協(xié)商確定。

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

10歐姆電阻以及9uF電容，可根據(jù)嚴(yán)酷等級不同，選擇數(shù)值也不同，電阻最小值可選為0歐姆（美國標(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，基本上就沒有太大意義。

3、共模浪涌抑制電路

防浪涌設(shè)計時，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模擬。

為了利用差模電感，在設(shè)計過程中，共模與差模不應(yīng)同時進(jìn)行，而應(yīng)該按照一定的順序來做。首先，應(yīng)該測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，因此就可以直接測量共模噪聲了。關(guān)注公眾號：硬件筆記本

如果設(shè)計的共模濾波器要同時使差模噪聲不超過允許范圍，那么就應(yīng)測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衰減。對于低功率電源系統(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，把脈沖信號盡量壓低到2~3倍脈沖信號平均值的水平即可。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，通常我們在電源EMI濾波器，開關(guān)電源中常見到，而直流側(cè)少見，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，空間耦合過來的，那么無論是交流還是直流，你有長線傳輸，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)。開關(guān)電源入口，交流電是遠(yuǎn)距離傳輸過來的就需要加。通常直流側(cè)不需要遠(yuǎn)傳就不需要加了。沒有共模干擾，加了就是浪費(fèi)，對電路沒有增益。關(guān)注公眾號：硬件筆記本

電源濾波器的設(shè)計通�？蓮墓材：筒钅煞矫鎭砜紤]。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，共模扼流圈的一個顯著優(yōu)點(diǎn)在于它的電感值極高，而且體積又小，設(shè)計共模扼流圈時要考慮的一個重要問題是它的漏感，也就是差模電感。通常，計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)計最優(yōu)性能的扼流圈時，這個誤差的影響可能是不容忽視的。

漏感的重要性
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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)形線圈沒有繞滿一周，或者繞制不緊密，那么磁通就會從芯中泄漏出來。這種效應(yīng)與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導(dǎo)率成正比。

共模扼流圈有兩個繞組，這兩個繞組被設(shè)計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導(dǎo)時方向相反，從而使磁場為0。如果為了安全起見，芯體上的線圈不是雙線繞制，這樣兩個繞組之間就有相當(dāng)大的間隙，自然就引起磁通“泄漏”，這即是說，磁場在所關(guān)心的各個點(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)上離開芯體，換句話說，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CY電容是安裝在整機(jī)線路之中，其總?cè)萘坎荒艹^5000P，如要抑制浪涌電壓超過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。關(guān)注公眾號：硬件筆記本

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

兩個CY電容的容量一般都很小，存儲的能量有限，其對共模抑制的作用并不很大，因此，對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，分別對兩路共模浪涌電壓進(jìn)行抑制，計算時只需計算其中一路即可。?對L1進(jìn)行精確計算，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。但此計算方法比較復(fù)雜，這里采用比較簡單的方法。

共模信號是一個幅度為Up、寬度為τ的方波，以及CY電容兩端的電壓為Uc，測流過電感的電流為一寬度等于2τ的鋸齒波：

流過電感的電流為：

流過電感的最大電流為：

在2τ期間流過電感的平均電流為：

由此可以求得CY電容在2τ期間的電壓變化量為：

上面公式是計算共模浪涌抑制電路中電感L和電容CY參數(shù)的計算公式，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，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。顯然這個數(shù)值非常大，在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)，所以上面電路對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進(jìn)行計算。

但上式中的L應(yīng)該等于L1和L2兩個濾波電感之和，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)楹芏喟雽?dǎo)體器件和電容的最大耐壓都在此電壓附近，并且，經(jīng)過L1和L2兩個濾波電感以及CX電容濾波之后，雷電差模浪涌電壓的幅度雖然降低了，但能量基本上沒有降低，因?yàn)榻?jīng)過濾波之后，脈沖寬度會增加，一旦器件被擊穿，大部分都無法恢復(fù)到原來的狀態(tài)。關(guān)注公眾號：硬件筆記本

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，這個數(shù)值對于一般電子產(chǎn)品的浪涌抑制電路來說還是比較大的，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個窗口、用矽鋼片作鐵芯，電感量相對較大（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間，并且存在殘存電壓，性能不太穩(wěn)定；氧化溲姑艫繾璺蔡匭員冉蝦茫芄β實(shí)南拗�，稻岎媷D員確諾綣芐�，多磦螣ㄗ稻J骰鞔┖�，击穿悼姽侄\嵯陸擔(dān)踔粱崾В