【導讀】電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗的國家標準為 GB/T17626.5(等同于國際標準 IEC61000-4-5 )。
1、電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗標準
電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗的國家標準為 GB/T17626.5(等同于國際標準 IEC61000-4-5 )。
標準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(如云層間或云層內的雷擊)在外部線路上感應出電壓和電流。
(3)雷電擊中線路鄰近物體,在其周圍建立的強大電磁場,在外部線路上感應出電壓。
(4)雷電擊中鄰近地面,地電流通過公共接地系統(tǒng)時所引進的干擾。
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標準除了模擬雷擊外,還模擬變電所等場合,因開關動作而引進的干擾(開關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),在靠近設備附近的一些較小開關跳動時的干擾。
(3)切換伴有諧振線路的晶閘管設備。
(4)各種系統(tǒng)性的故障,如設備接地網(wǎng)絡或接地系統(tǒng)間的短路和飛弧故障。
標準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生產(chǎn)的波形;另一種是在通信線路上感應產(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生產(chǎn)的波形來對電路進行分析,同時也對通信線路的防雷技術進行簡單介紹。
2、模擬雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理
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上圖是模擬雷電擊到配電設備時,在輸電線路中感應產(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)品標準要求不同,稍有改動。
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,供不同等級試驗用;
(3)內阻:2 歐姆,附加電阻 10、12、40、42 歐姆,供其它不同等級試驗用;
(4)浪涌輸出極性:正 / 負;浪涌輸出與電源同步時,移相 0~360 度;
(5)重復頻率:至少每分鐘一次。
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雷擊浪涌抗擾度試驗的嚴酷等級分為 5 級:
1 級:較好保護的環(huán)境;
2 級:有一定保護的環(huán)境;
3 級:普通的電磁騷擾環(huán)境、對設備未規(guī)定特殊安裝要求,如工業(yè)性的工作場所;
4 級:受嚴重騷擾的環(huán)境,如民用空架線、未加保護的高壓變電所。
X 級:由用戶與制造商協(xié)商確定。
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圖中 18uF 電容,可根據(jù)嚴酷等級不同,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(美國標準就是這樣), 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
防浪涌設計時,假定共模與差模這兩部分是彼此獨立的。然而,這兩部分并非真正獨立,因為共模扼流圈可以提供相當大的差模電感。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,在設計過程中,共模與差模不應同時進行,而應該按照一定的順序來做。首先,應該測量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網(wǎng)絡(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。
如果設計的共模濾波器要同時使差模噪聲不超過允許范圍,那么就應測量共模與差模的混合噪聲。因為已知共模成分在噪聲容限以下,因此超標的僅是差模成分,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,因為差模輻射的源阻抗較小,因此只有極少量的電感是有效的。
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對 4000Vp 以下的浪涌電壓進行抑制,一般只需采用 LC 電路進行限流和平滑濾波,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,開關電源中常見到,而直流側少見,在汽車電子中能夠看到用在直流側。
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)。 開關電源入口,交流電是遠距離傳輸過來的就需要加。通常直流側不需要遠傳就不需要加了。沒有共模干擾,加了就是浪費,對電路沒有增益。
電源濾波器的設計通常可從共模和差模兩方面來考慮。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,共模扼流圈的一個顯著優(yōu)點在于它的電感值極高,而且體積又小,設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%,實際上漏感為共模電感的 0.5% ~4%之間。在設計最優(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
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。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。這種效應與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導率成正比。
共模扼流圈有兩個繞組,這兩個繞組被設計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導時方向相反,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大的間隙,自然就引起磁通“泄漏”,這即是說,磁場在所關心的各個點上并非真正為 0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實上,與差模有關的磁通必須在某點上離開芯體,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。
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 電容是安裝在整機線路之中,其總容量不能超過 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。
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。
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圖(a)中 L1 與 CY1、 L2 與 CY2,分別對兩路共模浪涌電壓進行抑制,計算時只需計算其中一路即可。Ø對 L1 進行精確計算,須要求解一組 2 階微分方程,結果表明:電容充電是按正弦曲線進行,放電是按余弦曲線進行。但此計算方法比較復雜,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:
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流過電感的電流為:
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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:
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由此可以求得 CY 電容在 2τ期間的電壓變化量為:
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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,在實際中很難實現(xiàn),所以上面電路對雷電共模抑制的能力很有限,此電路還需進一步改進。
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行計算。
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但上式中的 L 應該等于 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不大于 600Vp,因為很多半導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,因為經(jīng)過濾波之后,脈沖寬度會增加,一旦器件被擊穿,大部分都無法恢復到原來的狀態(tài)。
根據(jù)上面公式,假設浪涌峰值電壓 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
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避雷器件主要有陶瓷氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、半導體閘流管(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,可達數(shù)十 kA,放電電壓比較高,放電管從點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;氧化鋅壓敏電阻伏安特性比較好,但受功率的限制,電流相對比放電管小,多次被雷電過流擊穿后,擊穿電壓值會下降,甚至會失效;
半導體 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
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氣體放電管指作過電壓保護用的避雷管或天線開關管一類,管內有二個或多個電極,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元件,它用在通信系統(tǒng)的防雷保護。
放電管的工作原理是氣體間隙放電 i 當放電管兩極之間施加一定電壓時,便在極間產(chǎn)生不均勻電場:在此電場作用下,管內氣體開始游離,當外加電壓增大到使極間場強超過氣體的絕緣強度時,兩極之間的間隙將放電擊穿,由原來的絕緣狀態(tài)轉化為導電狀態(tài),導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)的電子設備免受過電壓的損壞。
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、三個,電極之間由惰性氣體隔開。按電極個數(shù)的設置來劃分,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成。管內放電電極上涂覆有放射性氧化物,管體內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構,在桿形電極的放電管中,電極與管體壁之間還要加裝一個圓筒熱屏,該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨于均勻,不致出現(xiàn)局部過熱而引起管斷裂。熱屏內也涂覆放射性氧化物,以進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。
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主要參數(shù):
(1)直流擊穿電壓。此值由施加一個低上升速率(dv/dt=100V/s)的電壓值來決定。
(2)沖擊(或浪涌)擊穿電壓。它代表放電管的動態(tài)特性,常用上升速率為 dv/dt=1kV/us 的電壓值來決定。
(3)標稱沖擊放電電流。8/20us 波形(前沿 8us,半峰持續(xù)時間 20us)的額定放電電流,通常放電 10 次。
(4)標準放電電流。通過 50Hz 交流電流的額定有效值,規(guī)定每次放電的時間為 1s,放電 10 次。
(5)最大單次沖擊放電電流。對 8/20us 電流波的單次最大放電電流。
(6)耐工頻電流值。對 8/20us 電流波的單次最大放電電流。對 50Hz 交流電,能經(jīng)受連續(xù) 9 個周波的最大電流的有效值。
(7)絕緣電阻。對 8/20us 電流波的單次最大放電電流。對 50Hz 交流電,能經(jīng)受連續(xù) 9 個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。
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金屬氧化物壓敏電阻
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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。由于兩種不同性質的物體組合在一起,相當于一個 PN 結(二極管),因此,壓敏電阻相當于眾多的 PN 結串、并聯(lián)組成。
5、超高浪涌電壓抑制電路
實例 1
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上圖是一個可抗擊較強雷電浪涌脈沖電壓的電原理圖,圖中:G1、G2 為氣體放電管,主要用于對高壓共模浪涌脈沖抑制,對高壓差模浪涌脈沖也同樣具有抑制能力;VR 為壓敏電阻,主要用于對高壓差模浪涌脈沖抑制。經(jīng)過 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 擊穿后會產(chǎn)生后續(xù)電流,一定要加保險絲以防后續(xù)電流過大使線路短路。
實例 2
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增加了兩個壓敏電阻 VR1、VR2 和一個放電管 G3,主要目的是加強對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)品都對漏電流要求很嚴格(小于 0.7mAp),所以圖中加了一個放電管 G3,使平時電路對地的漏電流等于 0。G3 的擊穿電壓要遠小于 G1、G2 的擊穿電壓,采用 G3 對漏電隔離后,壓敏電阻 VR1 或 VR2 的擊穿電壓可相應選得比較低,VR1、VR2 對差模浪涌電壓也有很強的抑制作用。
實例 3
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G1 是一個三端放電管,它相當于把兩個二端放電管安裝在一個殼體中,用它可以代替上面兩個實例中的 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。
實例 4
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增加了兩個壓敏電阻(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,本實例對超高浪涌電壓的抑制能力相對實例 3 要的抑制能力差很多。
實例 5 直接在 PCB 板上制作避雷裝置
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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)萬伏共模或差模浪涌電壓沖擊,避雷裝置電極之間距離一般要求比較嚴格,輸入電壓為 AC110V 時,電極之間距離可選 4.5mm,輸入電壓為 AC220V 時,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。
實例 6 PCB 板氣隙放電裝置代替放電管
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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,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),再其次才是半導體 TVS 閘流管或 X 類電容及 Y 類電容。
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