通過(guò)6個(gè)實(shí)例電路分析，詳解雷擊浪涌的防護（一）

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(xiàn)路，有大量電流流入外部線(xiàn)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(xiàn)路上感應出電壓和電流。

  （3）雷電擊中線(xiàn)路鄰近物體，在其周?chē)⒌膹姶箅姶艌?chǎng)，在外部線(xiàn)路上感應出電壓。

  （4）雷電擊中鄰近地面，地電流通過(guò)公共接地系統時(shí)所引進(jìn)的干擾。

標準除了模擬雷擊外，還模擬變電所等場(chǎng)合，因開(kāi)關(guān)動(dòng)作而引進(jìn)的干擾（開(kāi)關(guān)切換時(shí)引起電壓瞬變），如：

  （1）主電源系統切換時(shí)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(kāi)關(guān)跳動(dòng)時(shí)的干擾。

  （3）切換伴有諧振線(xiàn)路的晶閘管設備。

  （4）各種系統性的故障，如設備接地網(wǎng)絡(luò )或接地系統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(xiàn)上感應生產(chǎn)的波形；另一種是在通信線(xiàn)路上感應產(chǎn)生的波形。

       這兩種線(xiàn)路都屬于空架線(xiàn)，但線(xiàn)路的阻抗各不相同：在電源線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)上感應生產(chǎn)的波形來(lái)對電路進(jìn)行分析，同時(shí)也對通信線(xiàn)路的防雷技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2、模擬雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理

     上圖是模擬雷電擊到配電設備時(shí)，在輸電線(xiàn)路中感應產(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為脈沖持續時(shí)間形成電阻（放電曲線(xiàn)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)品有不同的參數要求，上圖中的參數可根據產(chǎn)品標準要求不同，稍有改動(dòng)。

基本參數要求：

（1）開(kāi)路輸出電壓：0.5～6kV，分5等級輸出，*后上等由用戶(hù)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(shí)，移相0～360度；

（5）重復頻率：至少每分鐘一次。

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、對設備未規定特殊安裝要求，如工業(yè)性的工作場(chǎng)所；

4級：受?chē)乐仳}擾的環(huán)境，如民用空架線(xiàn)、未加保護的高壓變電所。

X級：由用戶(hù)與制造商協(xié)商確定。

      圖中18uF電容，可根據嚴酷等級不同，選擇數值也可不同，但大到一定值之后，基本上就沒(méi)有太大意義。

      10歐姆電阻以及9uF電容，可根據嚴酷等級不同，選擇數值也不同，電阻*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(méi)有太大意義。

3、共模浪涌抑制電路

        防浪涌設計時(shí)，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(lái)模擬。

為了利用差模電感，在設計過(guò)程中，共模與差模不應同時(shí)進(jìn)行，而應該按照一定的順序來(lái)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(luò )（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(shí)使差模噪聲不超過(guò)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(lái)衰減。對于低功率電源系統，共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問(wèn)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。

     對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(kāi)關(guān)電源中常見(jiàn)到，而直流側少見(jiàn)，在汽車(chē)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(xiàn)路上的共模干擾（有兩線(xiàn)的，也有多線(xiàn)的）。由于電路上兩線(xiàn)阻抗的不平衡，共模干擾*終體現在差模上。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(guò)來(lái)的，那么無(wú)論是交流還是直流，你有長(cháng)線(xiàn)傳輸，就涉及到共模濾波就得加共模電感。例如：USB線(xiàn)好多就在線(xiàn)上加磁環(huán)。 開(kāi)關(guān)電源入口，交流電是遠距離傳輸過(guò)來(lái)的就需要加。通常直流側不需要遠傳就不需要加了。沒(méi)有共模干擾，加了就是浪費，對電路沒(méi)有增益。

      電源濾波器的設計通?？蓮墓材：筒钅煞矫鎭?lái)考慮。共模濾波器*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(zhù)優(yōu)點(diǎn)在于它的電感值極高，而且體積又小，設計共模扼流圈時(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。在設計*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。

漏感的重要性

      漏感是如何形成的呢？緊密繞制，且繞滿(mǎn)一周的環(huán)形線(xiàn)圈，即使沒(méi)有磁芯，其所有磁通都集中在線(xiàn)圈“芯”內。但是，如果環(huán)形線(xiàn)圈沒(méi)有繞滿(mǎn)一周，或者繞制不緊密，那么磁通就會(huì )從芯中泄漏出來(lái)。這種效應與線(xiàn)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(gè)繞組，這兩個(gè)繞組被設計成使它們所流過(guò)的電流沿線(xiàn)圈芯傳導時(shí)方向相反，從而使磁場(chǎng)為0。如果為了**起見(jiàn)，芯體上的線(xiàn)圈不是雙線(xiàn)繞制，這樣兩個(gè)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(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(kāi)芯體，換句話(huà)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。

      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電容是安裝在整機線(xiàn)路之中，其總容量不能超過(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。

      所謂抑制，只不過(guò)是把尖峰脈沖的幅度降低了一些，然后把其轉換成另一個(gè)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(méi)有改變。