开关电源雷击浪涌的产生与防护雷击浪涌的产生

一种防雷击浪涌的开关电源电路的设计。

雷击浪涌的产生

2 电子产品的浪涌(雷击)损坏机理

雷击电子设备的途径可分为两种情况：1)高能雷电冲击波通过户外传输线路、设备间的连接线以及电力线侵人设备.使串接在线路中间或终端的电子设备遭到损害;2)雷击大地或接地导体，引起局部瞬间地电位上升.波及附近的电子设备，对设备产生冲击，损害其对地绝缘。

一般浪涌脉冲的上升时间较长，脉宽较宽，不含有较高的频率成分，多通过传导方式进入设备内部。纵向(共模)冲击对设备平衡电路元部件的影响有：损坏跨接在线与地问的元部件或其绝缘介质：击穿在线路和设备间起阻抗匹配作用的变压器匝间、层问或线对地绝缘等。横向(差模)冲击则同样可在电路中传输.损坏内部电路的电容 电感及耐冲击能力差的半导体器件。设备中元部件遭受浪涌损坏的程度.取决于该部件的绝缘水平及冲击的强度：对具有自恢复能力的绝缘，击穿只是暂时的.一旦冲击消失，绝缘很快便得到恢复。有些非自恢复的绝缘介质，如果击穿后只流过很小电流.常不会立即中断设备的运行，但随时间的推移.元部件受潮绝缘会逐渐地下降，电路特性变坏，最后将使电路中断。有的部件，如晶体管的集电极与发射极或发射擞与基极，若发生反向击穿.常出现永久性损坏 对易受能量损坏的元器件.受损坏程度主要取决于流过其上的电流及持续时间。

3.1建筑物的雷击防护

3.2 电子产品的浪涌抑制方式

雷击浪涌的最大特点是能量特别大，所以采用普通滤波器和铁氧体磁芯来滤波、吸收的方案基本无效，必须使用气体放电管、压敏电阻、硅瞬变吸收二极管和半导体放电管等专门的浪涌抑制器件才行。浪涌抑制器件基本的使用方法是直接将浪涌吸收器件与被保护设备并联，以便对超过设备承受能力的浪涌电压进行吸收或能量转移。浪涌抑制器件的一个共同特性就是其阻抗在有浪涌电压出现时与没浪涌电压时不同。正常电压下，它的阻抗很高，对电路的工作没有影响，而当有很高的浪涌电压加在它上面时，它的阻抗变得很低，将浪涌能量旁路掉。这类器件的使用方法是并联在线路与参考地之间，当浪涌电压出现时迅速导通，以将电压幅度限制在一定的数值上。

4 常见的浪涌抑制器件特点及应用

压敏电阻由金属氧化物(主要是氧化锌)材料组成，属箝位型器件，其特性与两只背对背联接的稳压管非常相似，有着毫微秒级的响应速度。压敏电阻对瞬变信号的吸收能力与其体积成正比：其厚度正比于电压;面积正比于电流。压敏电阻是目前在电子产品中使用最广泛的浪涌抑制器件。当压敏电阻上的电压超过一定幅度时，电阻的阻值大幅度降低，从而将浪涌能量泄放掉。在浪涌电压作用下，导通后的压敏电阻上的电压(一般称为箝位电压)，等于流过压敏电阻的电流乘以压敏电阻的阻值，因此在浪涌电流的峰值处箝位电压达到最高。 4.1.1压敏电阻的特点：

4.1.2压敏电阻的选择

降低以接近被保护电路的工作电压;从提高元件寿命来看，又要拉开两者差距。一般折衷的选取方案为：对交流工作电路，压敏电压值为工作电压的2.2倍;对直流工作电路，压敏电压值为工作电压的1.5倍。 b)通流量的选取：在实际应用中，压敏电阻所吸收的最大浪涌电流应小于它的最大通流量。对同一应用场合，当最大通流量增加一倍，压敏电阻的寿命也同步增加一倍。

TVS为电压箝位型工作方式，亚纳秒级的响应速度。TVS有多种封装方式，可满足不同场合的需要。当TVS上的电压超过一定的幅度时，器件迅速导通.通过PN结反向过压雪崩击穿将浪涌能量泄放掉。由于这类器件导通后阻抗很小，因此它的箝位电压很平坦，并且很接近工作电压。

4.2.2硅瞬变电压吸收二极管的选择

4.3气体放电管

4.3.1气体放电管的特点

4.3.2气体放电管的选择

4.4 其它浪涌吸收器件

固体放电管是一种新的瞬变电压吸收器件，与气体放电管一样同属能量转移型保护器件，但性能更理想。如通态压降仅3 V左右，接近短路;纳秒级的响应速度;动作电压稳定;使用寿命长;能双方向吸收正/负极性的瞬变电压。

4.4.2 晶闸管型防护器件

4.5气体放电管和压敏电阻组合应用

气体放电管和压敏电阻都不适合单独在交流电源线上使用。一个实用的方案是将气体放电管与压敏电阻串联起来使用。如果同时在压敏电阻上并联一个电容，浪涌电压到来时，可以更快地将电压加到气体放电管上。缩短导通时间。这种气体放电管与压敏电阻的组合除了可以避免上述缺点以外.还有一个好处就是可以降低限幅电压值。可以使用导通电压较低的压敏电阻，从而可以降低限幅电压值。 该连接方式对浪涌电压的抑制作用如图2所示。 采用组合式保护方案能发挥不同保护器件的各自特点，从而取得最好的保护效果

产品的浪涌抵抗能力要通过浪涌(冲击)抗扰度测试来检验。该测试项目适用于电气和电子设备在规定的工作状态下工作时。对由开关或雷电作用所产生的有一定危害电平的浪涌(冲击)电压的反应。该测试项目适用于由公共供电网络供电的电子电气设备的交流电源端1：3测试。也适用于有室外电线、电缆连接的电源、控制、信号端口的测试。施加方式有共模和差模两种方式.因此，产品设计中就需要针对这些端口的共/差模浪涌采取相应的抑制措施。

一个理想的交流电源浪涌抑制方案如图3所示。它充分利用不同吸收器件各自的优点。

对220 V/50 Hz的交流电源系统，第三级TVS可取380 V额定电压产品.第二级的压敏电阻可取470 V额定电压产品。第一级气体放电管选550 V额定电压产品.第一级压敏电阻可选400 V额定电压产品。为了减少前级气体放电管反映时间，可以在前级压敏电阻上并联一个1 000 pF到10 000 pF的高频电容。

此保护电路有一点需要注意：若被测设备需耐受的浪涌电流不是很大，建议尽量不要使用第一级的气体放电管;若直流电路工作电压大于10 V，第一级气体放电管不可使用。此时可通过提高第二级压敏电阻的电流容量来满足设备的浪涌等级要求。对保护器残压不敏感的产品，可以省略第三级的TVS保护电路。在此电路中，气体放电管的额定电压应大于等于工作电压的1.8倍，压敏电阻的额定电压应大于等于工作电压的1.5倍。最前级保护元件的电流容量应大于最大浪涌电流。后级保护电路的电流容量可以逐级递减。

通信接口的浪涌抑制电路的技术要求较高，因为除了满足浪涌防护要求外，还须保证传输指标符合要求。加上与通信线路相连的设备耐压很低，对浪涌残压要求严格，因此在选择防护器件时较困难。理想的浪涌抑制电路应是电容小、残压低、通流大、响应快。

此保护电路需要注意的是：若通信接口电路中含有绝对值超过l0 V的直流信号(如电话网络含有48 V直流)，气体放电管不可用;压敏电阻电容较大，只适用于音频通信信号传输。对不含直流的高频接口保护电路，可取消第二级的压敏电阻，这种保护电路大约可到几十MHz的频率(若通信电路含有直流，应选用灭弧电压高于工作直流的气体放电管;或保护电路仅由PTC与TVS组成，此时浪涌保护能力较低)。更高频率的保护就主要是采用放电管了，否则很难满足传输要求。

天线端口是一类非常容易遭受浪涌损坏的接口。无线通讯设备的外接天线端口一般需要与室外高处的天线连接以实现无线信号的收发.AV产品的天线端口也会与室外天线或CATV系统连接，这些接口都与室外引线连接。尽管室外高处的天线一般都应有避雷针保护，进入室内后都还有前级(雷击)浪涌保护器保护。但是，一方面避雷针和保护器未必保护得很到位(这些保护措施失效也很难被产品用户发现，一般是出现浪涌对产品破坏之后才发现保护早已失效);另一方面，这些室外天线很可能由用户自行安装(如农村的室外电视天线)，保护措施缺失;另外，产品的天线均为长期连接，除非产品移动，一般连接好后，不会经常断开。这些特点决定了产品天线端口很容易遭受浪涌的冲击，不幸的是.与产品天线端口相连的电路都是对浪涌非常敏感的低压电子电路，因此，对天线端口的浪涌保护非常必要。

5.4 其它信号/控制端口的浪涌抑制

但需要注意的是，若端口是由变压器或光耦隔离的，为防止变压器或光耦因浪涌击穿，除接口线线间需要浪涌抑制外，接口线对产品的接地端之间也应有相应的浪涌抑制电路。为保证内外电路的电气隔离，此处只可采用气体放电管进行浪涌抑制。为保证气体放电管浪涌击穿后能正常灭弧.变压器或光耦隔离的两端应无大于10 V的直流电位差。

当并联型的浪涌抑制器发挥作用时.它将浪涌能量旁路到地线上。由于地线都是有一定阻抗的。因此当电流流过地线时，地线上会有电压。这种现象一般称为地线反弹。当浪涌抑制器的地与设备的地不在同一点，设备的线路实际上没有受到保护.较高的浪涌电压仍然加到了设备的电源线与地之间。解决办法是在线路(地)与设备的外壳(地)之间再并联一只浪涌抑制器，或将两地选择在同一点。受到保护的设备与其他设备连接在一起。由于地线反弹的原因，另一台设备就要承受共模电压。 这个共模电压会出现在所有连接设备1(受保护设备)与设备2(未保护设备)的电缆上。解决的方法是在互连电缆的设备2一端安装浪涌抑制器。

随着半导体器件的集成度的提高和广泛使用，电子产品变得越来越脆弱，对浪涌冲击的抵抗能力越来越低。为保障电子产品的安全，就应了解浪涌侵入产品的途径和破坏的机理，并找到相应的对策，以提高产品的浪涌抵抗能力。本文就浪涌破坏机理、浪涌抑制对策、产品抗浪涌设计方面的问题进行了一些探讨.并对不同的浪涌对策器件进行了多方面介绍.以方便产品设计者参考和选择。