浪涌信號與防護方法

1　引言

浪涌是一種上升速度高、持續(xù)時間短的尖峰脈沖。其產(chǎn)生原因是多方面的，諸如：電網(wǎng)過壓、開關(guān)打火、虬源反向、靜電、電機/電源噪聲等。眾所周知,電子產(chǎn)品在使用中經(jīng)常會遇到意外的電壓瞬變和浪涌,從而導(dǎo)致電子產(chǎn)品的損壞,損壞的原因是電子產(chǎn)品中的半導(dǎo)體器件(包括二極管、晶體管、可控硅和集成電路等)被燒毀或擊穿。據(jù)估計,電子產(chǎn)品的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無處不在,電網(wǎng)、雷擊、爆破,就連人在地毯上行走都會產(chǎn)生上萬伏的靜電感應(yīng)電壓,這些,都是電子產(chǎn)品的隱形致命殺手。因此,為了提高電子產(chǎn)品的可靠性和人體自身的安全性,必須對電壓瞬變和浪涌采取防護措施。其方法之一是使整機和系統(tǒng)接地,整機和系統(tǒng)的地(公共端)和大地應(yīng)分開,整機和系統(tǒng)中的每個子系統(tǒng)均應(yīng)有獨立的公共端,在子系統(tǒng)之間需傳輸數(shù)據(jù)或信號時,應(yīng)以大地為參考電平,接地線(面)必須能流過很大的電流,如幾百安培。第二種防護方法是在整機和系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位(如電腦的顯示器等)采用電壓瞬變和浪涌的防護器件,使電壓瞬變和浪涌通過防護器件旁路到子系統(tǒng)地和大地,從而讓進入整機和系統(tǒng)中的瞬變電壓和浪涌幅度大大降低。第三種防護方法是對重要和昂貴的整機和系統(tǒng)采用幾個電壓瞬變和浪涌防護器件的組合形式,以構(gòu)成多級防護電路。

2　對浪涌的防護方法

浪涌保護器為電子設(shè)備的電源浪涌防護提供了一種簡便、經(jīng)濟、可靠的防護方法，通過防浪涌元件(MOV)，在雷擊感應(yīng)及操作過電壓時，迅速將浪涌能量傳入大地，保護設(shè)備免遭損害。

(1)并聯(lián)型電涌保護器并聯(lián)于供電線路上

在正常情況下，防雷模塊內(nèi)的壓敏電阻處于高阻狀態(tài)。電網(wǎng)遭受雷擊或開關(guān)操作出現(xiàn)瞬時浪涌過電壓時，防雷器在納秒級時間內(nèi)響應(yīng)，壓敏電阻呈低阻狀態(tài)，迅速將過電壓限制在一個很低的幅值內(nèi)。

當(dāng)線路中有較長時間的持續(xù)脈沖或持續(xù)過電壓，壓敏電阻器性能劣化而發(fā)熱到一定程度使熱脫機構(gòu)脫扣，避免火災(zāi)發(fā)生，從而保護設(shè)備。

(2)串聯(lián)濾波型電涌保護器串聯(lián)接入供電線路中

為貴重的電子設(shè)備提供安全、潔凈的電源，雷電波除了有巨大的能量外，還有極其陡峭的電壓及電流上升率。并聯(lián)型電涌保護器只能抑制雷電波的幅值，但無法改變其急劇上升的前沿。串聯(lián)濾波型電源電涌保護器串聯(lián)于供電線路上。在過電壓情況下MOV1、MOV2在納妙級時間內(nèi)做出響應(yīng)，將過電壓箝位;同時LC濾波器將雷電波陡峭的電壓，電流提升率降低近1000倍，殘壓降低5倍，從而保護敏感的用戶設(shè)備。

(3)在電源線的相間、線間安裝壓敏限幅型元件，以限制浪涌過電壓。

第一種方法對照明、電梯、空調(diào)、電機等耐沖擊電壓水平較高的電氣設(shè)備的防護效果比較好。但對于集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊的現(xiàn)代電子設(shè)備來說，實際防護效果就不那么令人滿意了。理由如下：

以單相220V交流電源的感應(yīng)雷擊防護為例，常用方法在零、地線之間并上合適的壓敏型元件，以吸收限制感應(yīng)雷擊產(chǎn)生的尖峰電壓。電源線路防雷效果的好壞完全取決于壓敏器件參數(shù)的選擇和壓敏器件工作的可靠性。壓敏限幅值的選擇是在市電的峰值310V的基礎(chǔ)上加上20%的電網(wǎng)波動影響、10%的器件分散性誤差和15%的因長期工作造成發(fā)熱、受潮、元件老化等可靠性因素補償，一般取值為470V～510V。感應(yīng)雷擊等各種尖峰干擾電壓都被限制在470V。對于470V以下的電壓，壓敏器件不動作。普通低壓電器設(shè)備(機床、電梯、照明、空調(diào)等)的工頻耐壓值一般為交流1500V，而瞬間耐壓峰值可達2500V以上，所以470V的電壓是十分安全的。但大規(guī)模集成電路組成的現(xiàn)代電子設(shè)備的工作電壓一般為±5V～±15V之間，最高耐壓值一般不超過50V，所以疊加在市電上的小于470V的高頻尖峰電壓就會直接送入負(fù)載，通過空間耦合電容，變壓器層間、極間電容不成比例地傳到開關(guān)電源或集成電路芯片上，能造成故障。盡管高頻開關(guān)電源和電子設(shè)備都有相應(yīng)的防尖峰干擾措施，但受成本和體積限制，再加上感應(yīng)雷擊等尖峰干擾的強度、頻譜變化很大，所以防護效果不理想。這還是在壓敏限幅元件比較理想的情況下得出的效果，實際上由于壓敏元件殘壓和引線電感的影響，在較強感應(yīng)雷擊下，可能會導(dǎo)致實際限幅電壓峰值升到800V～1000V以上，而使后級電子設(shè)備遭受威脅。

(4)加強對電子設(shè)備的防護效果，在電源與負(fù)載間串入超隔離變壓器(又稱隔離法)，以隔絕高頻尖峰干擾，同時又可使次級等電位聯(lián)接便于進行。

隔離法主要采用帶屏蔽層的隔離變壓器。由于共模干擾是一種相對大地的干擾，所以它主要通過變壓器繞組間的耦合電容來傳遞。如果在初、次級之間插入屏蔽層，并使之良好接地，便能使干擾電壓通過屏蔽層分路掉，從而減小輸出端的干擾電壓。理論上帶屏蔽層的變壓器能使衰減量達到60dB左右。但隔離效果的好壞，往往取決于屏蔽層的工藝。最好選用 0.2 mm厚的紫銅板材，原邊、副邊各加一個屏蔽層。通常，原邊的屏蔽層通過一個電容器與副邊的屏蔽層接到一起，再接到副邊的地上。也可以原邊的屏蔽層接原邊的地線，副邊的屏蔽層接到邊的地線。并且接地引線的截面積也要大一些好。采用帶屏蔽層的隔離變壓器，是個好方法，只是體積較大。

這種方法因變壓器功能過于單一，相對體積、重量大，安裝不甚方便，對中、低頻尖峰和浪涌防護效果不好，因此市場有限，生產(chǎn)廠家也不多。所以非特殊場合一般都不用。

(5)吸收法

吸收法主要采用吸波器件將浪涌尖峰干擾電壓吸收掉。吸波器件都有共同的特點，即在閾值電壓以下呈現(xiàn)高阻抗，而一旦超過閾值電壓，則阻抗便急劇下降，因此對尖峰電壓有一定的抑制作用。這類吸波器件主要有壓敏電阻、氣體放電管、TVS管、固體放電管等。不同的吸波器件對尖峰電壓的抑制也有各自的局限性.如壓敏電阻的電流吸收能力不夠大;氣體放大電管的響應(yīng)速度較慢。

TVS(Transient Voltage Suppressor)是一種新型高效的吸收電源進線上尖峰脈沖的器件。TVS又稱TVP，中文譯作瞬變電壓抑制器，事實上是一種特殊的穩(wěn)壓二極管。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度把兩端問的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗铡珎€瞬間大電流，從而把它的兩端電壓鉗制在一個預(yù)定的數(shù)值上，保護了后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因為如此，其防雷效果也很好。TVS管和穩(wěn)壓管一樣，是反向應(yīng)用的。與穩(wěn)壓管不同的是，TVS管可以承受的最大峰值電流甚至可高達數(shù)百安培，最大脈沖功率可以達到5000W，鉗位響應(yīng)時間僅為10-12，圖1是TVS用于普通電源進線的原理圖。這里采用的是雙向TVS管，它對于電網(wǎng)的尖峰脈沖電壓和雷電疊加電壓等都能有效的吸收。TVS的用途很多，它還可用作防雷以及各種大功率器件的保護和吸收電路。