雷擊浪涌，防護(hù)有妙招

硬件筆記本

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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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17626.5（等同于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-5 ）。
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標(biāo)準(zhǔn)主要是模擬間接雷擊產(chǎn)生的各種情況：
6 c; ?2 f5 s/ v$ D) C6 n3 I' u- o  （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。
8 L; p& C6 N% @3 J0 l  （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。

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: z( u6 P2 i+ ~) B標(biāo)準(zhǔn)除了模擬雷擊外，還模擬變電所等場(chǎng)合，因開關(guān)動(dòng)作而引進(jìn)的干擾（開關(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）。
. G) }* k2 ^4 C5 j5 h# W! e2 S  （2）同一電網(wǎng)，在靠近設(shè)備附近的一些較小開關(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。
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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(hào)：硬件筆記本
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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。
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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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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。
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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)。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本
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基本參數(shù)要求：
（1）開路輸出電壓：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；
3 w. [6 E) B. D- Q& T% b（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。
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: o; ~; x1 a5 x8 K! J7 S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；
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2級(jí)：有一定保護(hù)的環(huán)境；
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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；
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+ B* S" r- ]2 O5 ~' m- ]- m5 [. [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。

! q0 x) L: B: `X級(jí)：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(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。

: B$ E4 \  M( G+ b6 Q10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。
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3、共模浪涌抑制電路
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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�可以提供相�?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。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本
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5 }2 Z( L" D. ^( B. D5 A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�共模成分在噪聲容限以下，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。
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( t) ?, V( S  p( P2 B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。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。
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* }: F; C/ E3 ~1 _7 J用在交流，直流的都有，通常我們?cè)陔娫碋MI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)。
5 `$ F) U' p" ]* Z8 @; p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。
7 L; z" C1 K0 s3 S2 r  z' 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(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。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本
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/ T, a& t, f4 L0 c6 y電源濾波器的設(shè)計(jì)通�？蓮墓材：筒钅�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。


$ N6 k7 m( o( v6 B: P漏感的重要性


/ D& N. v; j) U! |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。

' t! U2 j4 n- \4 N7 c0 B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，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�過(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。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本
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( g" ]5 z/ e  z3 H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。
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" [6 `4 f; l9 Z; u$ D7 Z  H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。
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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。

' {2 ]3 a+ A/ [1 `7 j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：
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% p; _2 ?  p# U) ^2 ~8 A) R" X流過(guò)電感的電流為：
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流過(guò)電感的最大電流為：
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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：
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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)。
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0 k$ \3 O' ^$ h0 e* I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。
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: ~( ^& _, l* c7 g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(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)。關(guān)注公眾號(hào)：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(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）。

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4、雷擊浪涌脈沖電壓抑制常用器件
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, Q: D% C% i5 y8 F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。

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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；氧化溲姑艫繾璺�安虆Q員冉蝦�，但受功聦�(shí)南拗�，稻岎媷D員確諾綣芐�，多磦螣ㄗ稻J�流击穿后，击穿悼姽侄\嵯陸擔(dān)�甚至会失效�