開關(guān)電源技術(shù)知識(shí)；防雷擊浪涌的開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

序言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，感應(yīng)雷和雷電波侵入造成的危害卻大大增加。一般建筑物上的避雷針只能預(yù)防直擊雷，而強(qiáng)大的電磁場產(chǎn)生的感應(yīng)雷和脈沖電壓卻能潛入室內(nèi)危及電視、電話及電子儀表等用電設(shè)備。特別是太陽能控制儀表，由于太陽能安裝位置的特殊情況，其使用穩(wěn)定性是廣大開發(fā)人員一直關(guān)注的重點(diǎn)。瞬間高電壓的雷擊浪涌以及信號(hào)系統(tǒng)浪涌是引起儀表穩(wěn)定性差的重要原因，信號(hào)系統(tǒng)浪涌電壓的主要來源是感應(yīng)雷擊、電磁干擾(EMI)、無線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如電話線) 受到這些干擾信號(hào)的影響，會(huì)使傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，影響傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和傳輸速率。如何設(shè)計(jì)防雷電路成為儀表研發(fā)的關(guān)鍵問題。

雷擊浪涌分析

最常見的電子設(shè)備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發(fā)生時(shí)在電源和通訊線路中感應(yīng)的電流浪涌引起的。一方面由于電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化 (VLSI芯片)，從而造成設(shè)備耐壓、耐過電流的水平下降，對(duì)雷電(包括感應(yīng)雷及操作過電壓浪涌)的承受能力下降，另一方面由于信號(hào)來源路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波侵入。浪涌電壓可以從電源線或信號(hào)線等途徑竄入電腦設(shè)備，我們就這兩方面分別討論：

1)電源浪涌

電源浪涌并不僅源于雷擊，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障、投切大負(fù)荷時(shí)都會(huì)產(chǎn)生電源浪涌，電網(wǎng)綿延千里，不論是雷擊還是線路浪涌發(fā)生的幾率都很高。當(dāng)距你幾百公里的遠(yuǎn)方發(fā)生了雷擊時(shí)，雷擊浪涌通過電網(wǎng)光速傳輸，經(jīng)過變電站等衰減，到你的電腦時(shí)可能仍然有上千伏，這個(gè)高壓很短，只有幾十到幾百個(gè)微秒，或者不足以燒毀電腦，但是對(duì)于電腦內(nèi)部的半導(dǎo)體元件卻有很大的損害，正象舊音響的雜音比新的要大是因?yàn)閮?nèi)部元件受到損害一樣，隨著這些損害的加深，電腦也逐漸變的越來越不穩(wěn)定，或有可能造成您重要數(shù)據(jù)的丟失。美國GE公司測定一般家庭、飯店、公寓等低壓配電線(110V)在10 000小時(shí)(約一年零兩個(gè)月)內(nèi)在線間發(fā)生的超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數(shù)達(dá)到800余次，其中超過1000V的就有300余次。這樣的浪涌電壓完全有可能一次性將電子設(shè)備損壞。

2)信號(hào)系統(tǒng)浪涌

信號(hào)系統(tǒng)浪涌電壓的主要來源是感應(yīng)雷擊、電磁干擾、無線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如電話線)受到這些干擾信號(hào)的影響，會(huì)使傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，影響傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和傳輸速率。排除這些干擾將會(huì)改善網(wǎng)絡(luò)的傳輸狀況。

基于以上的技術(shù)缺陷和狀況，本文根據(jù)實(shí)際使用設(shè)計(jì)了一種基于壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單相并聯(lián)式抗雷擊浪涌的開關(guān)電源電路。開關(guān)電源中的電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。通常傳導(dǎo)干擾比較好分析，可以將電路理論和數(shù)學(xué)知識(shí)結(jié)合起來，對(duì)電磁干擾中各種元器件的特性進(jìn)行研究;但對(duì)輻射干擾而言，由于電路中存在不同的干擾源的綜合作用，又涉及到電磁場理論，分析起來比較困難。

傳導(dǎo)干擾可分為共模(CM)干擾和常模(DM)干擾。由于寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)電源中開關(guān)器件的高頻開通與關(guān)斷，開關(guān)電源在其輸入端(即交流電網(wǎng)側(cè))產(chǎn)生較大的共模干擾和常模干擾。

變換器工作在高頻情況時(shí)，由于dvldt很高，激發(fā)變壓器繞組間以及開關(guān)管與散熱片間的寄生電容，從而產(chǎn)生共模干擾。

根據(jù)共模干擾產(chǎn)生的原理，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常采用以下幾種抑制方法:

(1)優(yōu)化電路元器件布置，盡量減少寄生、糯合電容。

(2)延緩開關(guān)的開通、關(guān)斷時(shí)間，但這與開關(guān)電源高頻化的趨勢不符。

(3)應(yīng)用緩沖電路，減緩dvldt的變化率。變換器中的電流在高頻情況下作開關(guān)變化，從而在輸人、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的dvl巾，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應(yīng)出干擾電壓，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生常模干擾。故選用高質(zhì)量的濾波電容(等效電感或阻抗很低)可以降低常模干擾。

輻射干擾又可分為近場干擾[測量點(diǎn)與場源距離λ/6(λ為干擾電磁波波長)]和遠(yuǎn)場干擾(測量點(diǎn)與場源距離>λ/6)。由麥克斯韋電磁場理論可知，導(dǎo)體中變化的電流會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場。兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產(chǎn)生電磁場的大小以及其作用范圍。在輻射研究中天線是電磁輻射源，在開關(guān)電源電路中，主電路中的元器件、連線都可以認(rèn)為是天線，可以應(yīng)用電偶極子和磁偶極子理論來分析。分析時(shí)，二極管、開關(guān)管、電容等可看成電偶極子;電感線圈可以認(rèn)為是磁偶極子，再以相關(guān)的電磁場理論進(jìn)行綜合分析就可以了。

需要注意的是，不同支路的電流相位不一定相同，在磁場計(jì)算時(shí)這一點(diǎn)尤其重要。相位不同，一是因?yàn)楦蓴_從干擾源傳播到測量點(diǎn)存在時(shí)延作用(也稱遲滯效應(yīng));二是因?yàn)樵骷旧淼奶匦詫?dǎo)致相位不同。如電感中電流相位比其他元器件要滯后。遲滯效應(yīng)引起的相位滯后是信號(hào)頻率作用的結(jié)果，僅在頻率很高時(shí)作用才較明顯(如GHz級(jí)或更高);對(duì)于功率電子器件而言，頻率相對(duì)較低，故遲滯效應(yīng)作用不是很大。