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1、電子設(shè)備雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn); P+ y0 D% j5 b" x# D
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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 )。
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1 |6 O. m7 Y! l3 V+ w# ~標(biāo)準(zhǔn)主要是模擬間接雷擊產(chǎn)生的各種情況:" k- G* U5 u4 ?$ f5 x/ {" U ]
(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。/ f/ M7 x" P; m4 ~ N9 k# g0 i
(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。
' f& A T% D j (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。
: J! N- S: B: G) H9 n4 r8 w9 U f& ? (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。- q. M, i2 K6 f- p7 h: z7 O7 V
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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:8 ^" U c' Q% ^8 K
(1)主電源系統(tǒng)切換時產(chǎn)生的干擾(如電容器組的切換)。# G2 p$ v- o, Z
(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。
9 S9 ]8 @2 j- M | (3)切換伴有諧振線路的晶閘管設(shè)備。7 V. _) i1 A7 D5 l
(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。8 O* R5 Q5 X/ t" Z$ T
& B1 |5 j- K# P! [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% n/ y8 }- G8 M$ S
3 M. Y" @6 q; R; F. p, ^9 f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。
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2、模擬雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理
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k3 k! B7 z1 s7 Q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。: Z% {8 E* w8 {# ]
9 `# ^* ~. i( f! k2 W/ ?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。$ j" K) t8 @" U- v) O: N: z
( D# w! _9 {5 Y. h( T) L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 y5 Y; q Y! I$ ^9 Y
* ~2 g9 C. z. h3 P* N; v基本參數(shù)要求:
; M# u. d- b" r; J7 ^(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;& m; ]; K) Y3 o0 U, @6 q
(2)短路輸出電流:0.25~2kA,供不同等級試驗(yàn)用;
7 i+ k) q6 ~8 V: w4 ~0 P(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;0 q; d8 i6 b4 L& `5 C" x$ F- G( `
(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;. k8 c4 g& L- A4 G' ]2 B
(5)重復(fù)頻率:至少每分鐘一次。# P$ L0 }4 G) T/ H+ r9 @
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* H# q1 `0 d( Z0 O5 B6 s雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)的嚴(yán)酷等級分為5級:: H0 ~) T' B" ^$ w1 ?$ J$ M/ e7 z8 d/ G
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1級:較好保護(hù)的環(huán)境;* K# v6 c; a6 J3 D
0 B6 {: K$ n( n8 Y2級:有一定保護(hù)的環(huán)境;8 N% p$ Y: ?8 ^
8 H) |0 Q% v8 x; w, q- D+ }
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;
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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。
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( t9 s/ r- O2 x8 C: N* V- xX級:由用戶與制造商協(xié)商確定。$ T* k( S# d7 m5 K) J2 ?
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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。: ^/ [# k7 l1 Z
: k9 v+ E/ Y) U2 l1 o10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。% x' R/ W0 p; \* F) |
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* y8 N' _: @7 y5 A$ k1 ~$ H3、共模浪涌抑制電路' P [8 u3 |4 E; d
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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。
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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
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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。! k3 ]# ~8 H4 B, A% I
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3 U) ]$ n. ?9 q" |. `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。4 a% c! K7 q5 l, l B. w7 D7 O9 X
' o9 K c' f* w. u2 c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)。' o* `1 H5 p8 J9 {$ T9 K" v1 ` {0 m
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。
1 i' p4 J$ {6 ?( b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7 w$ s0 f& i6 y" J
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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。
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漏感的重要性; N9 ]8 b. K- j. F4 G7 U
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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。. G+ h7 Y, b( _: d8 n; Z
) s' g; R/ Z& d! W0 Y& w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)。' z& N: f9 R w0 }4 ^* n0 W) K& |
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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
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5 A8 Z2 M2 m/ F' l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。
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' t$ Y- y, D: l' @+ l' l" L F. _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。, d7 C/ l6 T# F3 p
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+ K f% t/ X6 w
: e6 ?1 V1 _- c/ s8 N z4 j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。
, y/ `( h% e) B
( o+ q* m* z3 |7 k. L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:
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流過電感的電流為:% y/ L9 ?2 M+ W( o% ^
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流過電感的最大電流為:
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在2τ期間流過電感的平均電流為:( t l& d9 R% ^6 f" y( ^+ F- `
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由此可以求得CY電容在2τ期間的電壓變化量為:0 k- [. b9 d! T+ w8 u/ j; W, @
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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。
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8 u6 S. U$ p" c: a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)。; w# W; K3 W2 X1 [0 D4 d8 m9 o1 d
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( ~; @0 q8 s! @, v) ?* D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。
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0 a' o# ]0 L* H: @, b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/ G9 u+ r+ x7 c0 p; i4 {! ^
1 z& T6 T3 ?/ p$ e" Z4 ]* I! H
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)。! G0 F& i; S; M6 m W, r
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9 {. N% h! w; `, g9 M+ \9 `6 `; i8 k+ [4、雷擊浪涌脈沖電壓抑制常用器件$ R1 ^& N- C5 x" U1 P+ i4 b
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8 I9 J1 S4 P6 T0 E. F4 c& j8 _, ~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。0 `- |% B. S9 E) U: a& Y
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: Y. z0 y! u0 f' t* y, t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 |
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