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行业知识

电路浪涌信号与防护方法

1 引言

浪涌是一种上升速度高、持续时间短的尖峰脉冲。其产生原因是多方面的,诸如:电网过压、开关打火、虬源反向、静电、电机/电源噪声等。众所周知,电子产品在使用中经常会遇到意外的电压瞬变和浪涌,从而导致电子产品的损坏,损坏的原因是电子产品中的半导体器件(包括二极管、晶体管、可控硅和集成电路等)被烧毁或击穿。据估计,电子产品的故障有75%是由于瞬变和浪涌造成的。电压的瞬变和浪涌无处不在,电网、雷击、爆破,就连人在地毯上行走都会产生上万伏的静电感应电压,这些,都是电子产品的隐形致命杀手。因此,为了提高电子产品的可靠性和人体自身的安全性,必须对电压瞬变和浪涌采取防护措施。其方法之一是使整机和系统接地,整机和系统的地(公共端)和大地应分开,整机和系统中的每个子系统均应有独立的公共端,在子系统之间需传输数据或信号时,应以大地为参考电平,接地线(面)必须能流过很大的电流,如几百安培。第二种防护方法是在整机和系统中的关键部位(如电脑的显示器等)采用电压瞬变和浪涌的防护器件,使电压瞬变和浪涌通过防护器件旁路到子系统地和大地,从而让进入整机和系统中的瞬变电压和浪涌幅度大大降低。第三种防护方法是对重要和昂贵的整机和系统采用几个电压瞬变和浪涌防护器件的组合形式,以构成多级防护电路。

2 对浪涌的防护方法

浪涌保护器为电子设备的电源浪涌防护提供了一种简便、经济、可靠的防护方法,通过防浪涌元件(MOV),在雷击感应及操作过电压时,迅速将浪涌能量传入大地,保护设备免遭损害。

(1)并联型电涌保护器并联于供电线路上

在正常情况下,防雷模块内的压敏电阻处于高阻状态。电网遭受雷击或开关操作出现瞬时浪涌过电压时,防雷器在纳秒级时间内响应,压敏电阻呈低阻状态,迅速将过电压限制在一个很低的幅值内。

当线路中有较长时间的持续脉冲或持续过电压,压敏电阻器性能劣化而发热到一定程度使热脱机构脱扣,避免火灾发生,从而保护设备。

(2)串联滤波型电涌保护器串联接入供电线路中

为贵重的电子设备提供安全、洁净的电源,雷电波除了有巨大的能量外,还有极其陡峭的电压及电流上升率。并联型电涌保护器只能抑制雷电波的幅值,但无法改变其急剧上升的前沿。串联滤波型电源电涌保护器串联于供电线路上。在过电压情况下MOV1、MOV2在纳妙级时间内做出响应,将过电压箝位;同时LC滤波器将雷电波陡峭的电压,电流提升率降低近1000倍,残压降低5倍,从而保护敏感的用户设备。

(3)在电源线的相间、线间安装压敏限幅型元件,以限制浪涌过电压。

第一种方法对照明、电梯、空调、电机等耐冲击电压水平较高的电气设备的防护效果比较好。但对于集成度高、结构紧凑的现代电子设备来说,实际防护效果就不那么令人满意了。理由如下:

以单相220V交流电源的感应雷击防护为例,常用方法在零、地线之间并上合适的压敏型元件,以吸收限制感应雷击产生的尖峰电压。电源线路防雷效果的好坏完全取决于压敏器件参数的选择和压敏器件工作的可靠性。压敏限幅值的选择是在市电的峰值310V的基础上加上20%的电网波动影响、10%的器件分散性误差和15%的因长期工作造成发热、受潮、元件老化等可靠性因素补偿,一般取值为470V~510V。感应雷击等各种尖峰干扰电压都被限制在470V。对于470V以下的电压,压敏器件不动作。普通低压电器设备(机床、电梯、照明、空调等)的工频耐压值一般为交流1500V,而瞬间耐压峰值可达2500V以上,所以470V的电压是十分安全的。但大规模集成电路组成的现代电子设备的工作电压一般为±5V~±15V之间,最高耐压值一般不超过50V,所以叠加在市电上的小于470V的高频尖峰电压就会直接送入负载,通过空间耦合电容,变压器层间、极间电容不成比例地传到开关电源或集成电路芯片上,能造成故障。尽管高频开关电源和电子设备都有相应的防尖峰干扰措施,但受成本和体积限制,再加上感应雷击等尖峰干扰的强度、频谱变化很大,所以防护效果不理想。这还是在压敏限幅元件比较理想的情况下得出的效果,实际上由于压敏元件残压和引线电感的影响,在较强感应雷击下,可能会导致实际限幅电压峰值升到800V~1000V以上,而使后级电子设备遭受威胁。

(4)加强对电子设备的防护效果,在电源与负载间串入超隔离变压器(又称隔离法),以隔绝高频尖峰干扰,同时又可使次级等电位联接便于进行。

隔离法主要采用带屏蔽层的隔离变压器。由于共模干扰是一种相对大地的干扰,所以它主要通过变压器绕组间的耦合电容来传递。如果在初、次级之间插入屏蔽层,并使之良好接地,便能使干扰电压通过屏蔽层分路掉,从而减小输出端的干扰电压。理论上带屏蔽层的变压器能使衰减量达到60dB左右。但隔离效果的好坏,往往取决于屏蔽层的工艺。最好选用 0.2 mm厚的紫铜板材,原边、副边各加一个屏蔽层。通常,原边的屏蔽层通过一个电容器与副边的屏蔽层接到一起,再接到副边的地上。也可以原边的屏蔽层接原边的地线,副边的屏蔽层接到边的地线。并且接地引线的截面积也要大一些好。采用带屏蔽层的隔离变压器,是个好方法,只是体积较大。

这种方法因变压器功能过于单一,相对体积、重量大,安装不甚方便,对中、低频尖峰和浪涌防护效果不好,因此市场有限,生产厂家也不多。所以非特殊场合一般都不用。

(5)吸收法

吸收法主要采用吸波器件将浪涌尖峰干扰电压吸收掉。吸波器件都有共同的特点,即在阈值电压以下呈现高阻抗,而一旦超过阈值电压,则阻抗便急剧下降,因此对尖峰电压有一定的抑制作用。这类吸波器件主要有压敏电阻、气体放电管、TVS管、固体放电管等。不同的吸波器件对尖峰电压的抑制也有各自的局限性.如压敏电阻的电流吸收能力不够大;气体放大电管的响应速度较慢。

TVS(Transient Voltage Suppressor)是一种新型高效的吸收电源进线上尖峰脉冲的器件。TVS又称TVP,中文译作瞬变电压抑制器,事实上是一种特殊的稳压二极管。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时,它能以极高的速度把两端问的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,吸收~个瞬间大电流,从而把它的两端电压钳制在一个预定的数值上,保护了后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。正因为如此,其防雷效果也很好。TVS管和稳压管一样,是反向应用的。与稳压管不同的是,TVS管可以承受的最大峰值电流甚至可高达数百安培,最大脉冲功率可以达到5000W,钳位响应时间仅为10-12,图1是TVS用于普通电源进线的原理图。这里采用的是双向TVS管,它对于电网的尖峰脉冲电压和雷电叠加电压等都能有效的吸收。TVS的用途很多,它还可用作防雷以及各种大功率器件的保护和吸收电路。

 

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3 浪涌防护器的主要技术参数与要求

浪涌防护器的主要技术参数包括以下几个方面:

1、防护水平(残平)Up

浪涌防护器在通过浪涌电流时,保护器两端的电压差称残压。防护水平是指在额定放电电流时,防护端的残压水平,即瞬时钳位电压的钳制能力。这是选择浪涌保护器的一个重要指标,因为电气、电子设备只能承受一定范围的瞬时过电压,如电话交换机要求小于1000V,主机控制部份要求<700V,否则有可能导致设备的损坏。

2、响应时间ta

浪涌防护器的响应时间必须比浪涌电流的速度快,是浪涌防护器的一项重要指标,它反映浪涌防护器的特性。响应时间越小,抑制浪涌瞬态电压的速度就越快。一般由计算机控制的电子设备,其浪涌防护器的响应时间应<10ns,这样才能达到保护电子设备的目的。

3、最大浪涌电流(放电容量)Imax

最大浪涌电流是指浪涌防护器处理瞬态过压的最大工作电流。浪涌电流Imax越大,浪涌防护器的可靠性越高。当然,选择容量大小决定雷区浪涌的强弱、防护设备的重要性和经济价值等因素。

4、噪音衰耗

浪涌瞬态过压一般都会引起微波和瞬态高频噪音,如果浪涌防护器不采用高频滤波器模块对微波和高频噪音进行过滤,就会导致系统紊乱和电子元件老化。这是浪涌防护系统的安全、可靠的一项重要指标。

5、保护模式

为保证被防护系统的安全,在三相四线并带地线的电源中必须采用全模式结构的浪涌防护系统。

6、电压

标称电压Un:与被防护系统的额定电压相符,例如:230/380V。

工作电压:在电网电压波动范围内具备正常运行的能力。

最大持续运行电压Uc:加在浪涌防护器接线端的最大连续工作电压的有效值。Uc值必须与标称电压相符,在使用说明的规定范围内。

7、浪涌防护能力(寿命)

浪涌防护器在某波形(通常为10kA 8/20μs 20kV波形)下所承受的冲击次数。

8、自动防故障保护

浪涌防护器必须具有自动防故障保护功能。

9、绝缘电阻:≥1000MΩ

10、浪涌防护器的辅助功能

状态显示、音响报警、浪涌计数及远程监控功能。

11、电磁兼容

电磁兼容应符合国际、国内标准。

4 浪涌防护器最常用器件

主要有:金属氧化物压敏电阻MOV、硅雪崩二级管SAD、滤波电容器和混合型等。

(1)金属氧化物压敏电阻MOV

是非线性的电子元件,允许大电流通过维持接线端(指定端)很低的残余电压。当金属氧化物压敏电阻遇到瞬时超过它的启动电压时,它立即由高阻抗变为低阻抗,让瞬间巨大的浪涌泄放到大地,使危险的高电压远离敏感的电子设备。

典型的有氧化锌(ZnO)浪涌吸收器,它是一种以ZnO材料为主,添加多种过渡性金属氧化物经高温烧成处理而成的多晶半导体陶瓷元件。由于电微观结构的隧道效应,使它具有与齐纳二极管相似的非线性电压一电流特性曲线。另外,该元件的承受脉冲能量几乎是齐纳二极管的几十或几百倍。至今,这种元件已广泛地应用于电源设备或其他低频电路防雷击和吸收开关电涌.

(2)滤波电容器

它能消除巨大的脉冲危害,并可以过滤高频噪音。当幅度为几十伏到几百伏的高脉冲进入电源时,若没经过处理,这些脉冲会导致电子系统紊乱和元件劣变。瞬间浪涌可以经金属氧化物压敏电阻与硅雪崩二极管处理,但无法消除高频噪音,而滤波电容即可解决此问题。

(3)混合型

它兼容了金属氧化物压敏电阻的大过流容量特性,提高浪涌电流导通能力,又具有硅雪崩二极管的反应快并具钳位电压低的特性。为您提供最低的平稳钳位电压。同时由滤波电容器消除高频噪音。

(4)NTC热敏电阻器

抑制浪涌电流用负温度系数热敏电阻能有效地将开机瞬间的浪涌电流抑制在十分之一以内,而不影响仪器的正常工作,并且在正常工作时其阻值很小,从而所耗散的功率也很少。这类元件已广泛用于各类开关电源中。

(5)瞬变电压抑制器(TVS)

瞬变电压抑制器(TVS)是一种特殊的硅二极管雪崩器件,故也称为闭变电压抑制二极管,其工作原理与齐纳二极管相似。特性及符号与齐纳二极管相同,但与一般的齐纳二极管不同的是对TVS器件有大面积的PN结,具有承受瞬间大电流的能力,另外它的反向特位为典型的雪崩型,在雪崩时有低动态阻抗及低箝位电压,只要将TVS并接手要保护的电路上,当有瞬态电压发生时,TVS将快速响应(击穿),以耗散大的浪涌电流,电路被塔位于低电压,使电路得以保护。

(6) CSSPD

CSSPD即控制维持电流型硅防护浪涌器件(Current type Silicon Surge Protective Device),它由日本新电元工业公司于1988年研制成功。该器件双向两端器件,由pnpnp五层组成,它是在单芯片上逆向并联组成的复合器件。CSSPD的优点是响应速度快、不需多级防护电路、耐电流量大、静电容量小和可靠性高等,特别适用于防护雷电浪涌。日本新电元工业公司已推出多种有引线和无引线CSSPD,如DV3-5、KP4、KP15N系列、SV1-2和VR-60系列等。该公司还推出一种无引线桥整流(四端),型号KW4R,它含一个CSSPD(KP4R20)和四个整流二极管(S1WB60),它特别适用通信电路和电容性电源的防护。

参考文献:

1.王水平,付敏江.开关稳压电源.西安电子科技大学出版社,1997

2.陈克明.整机对电子元器件的选用.世界电子元器件,1998

3.李成章,王淑芳.新型UPS不间断电源原理.电子工业出版计,1995

4.余承杰.氧化锌浪涌吸收器防电磁脉冲特性.压电与声光,1996.2

 

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点击次数:  更新时间:2015-03-02 12:16:58  【打印此页】  【关闭