通信電源系統(tǒng)防雷電路設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上通信電源系統(tǒng)防雷電路設(shè)計(jì)胡志明電源電子研發(fā)處關(guān)鍵詞： 氣體放電管，MOV，TVS，額定通流能力Imax，電壓保護(hù)水平Up摘要：本文主要闡述了雷擊侵害的實(shí)質(zhì)以及雷擊破壞的機(jī)理，介紹了通信電源系統(tǒng)和線路板上的多級(jí)防雷電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最後總結(jié)了防雷電路設(shè)計(jì)的一般原則。 1 前言在通信電源系統(tǒng)中，防雷保護(hù)至關(guān)重要。防雷電路的設(shè)計(jì)有其自身特點(diǎn)，即設(shè)計(jì)考慮的全面性、對(duì)防雷器件特性的全面了解性、設(shè)計(jì)驗(yàn)證的試驗(yàn)困難性等。針對(duì)通信電源系統(tǒng)可能遭受雷擊入侵的路徑，筆者試圖較全面細(xì)緻地將設(shè)計(jì)思路展開(kāi)，並得出一般的防雷電路設(shè)計(jì)方法。2 雷擊侵害的實(shí)質(zhì)本文討論的雷擊侵害都為感應(yīng)雷的侵害，而非直擊

2、雷。對(duì)於被雷擊能量侵害的大地上的物體，直擊雷是指帶電雲(yún)層直接對(duì)其進(jìn)行放電，而感應(yīng)雷則指雲(yún)層對(duì)大地放電後其強(qiáng)大的電磁干擾對(duì)物體的侵害。因此，雷擊侵害的抑制也是電磁兼容(EMC)的一部分。強(qiáng)大的雷擊電流造成電磁場(chǎng)的急劇變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁場(chǎng)的快速變化必然導(dǎo)致週邊（範(fàn)圍能延伸幾公里）金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓。如果，金屬導(dǎo)體是交流電網(wǎng)、通訊線纜，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將沿此路徑，侵入到用電設(shè)備及通信設(shè)備。對(duì)於通信電源系統(tǒng)，特別是室外型通信電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由於其用電設(shè)備（傳輸模塊、發(fā)射模塊等）為弱電系統(tǒng)，承受干擾能力較弱，且由於其在經(jīng)濟(jì)生活中的重要地位，不容許通信系統(tǒng)因?yàn)槔讚舳袛?，因此，通信電源系統(tǒng)必須

3、能夠承受來(lái)自電源線、負(fù)載線、信號(hào)線等路徑侵入的雷擊感應(yīng)電壓。因此雷擊侵害的實(shí)質(zhì)，是幅值很高的瞬時(shí)感應(yīng)電壓。3 雷擊破壞的機(jī)理雷擊侵入方式分兩種，一種為共模，即線纜對(duì)大地之間的瞬時(shí)感應(yīng)電壓；另一種為差模，即線纜之間的瞬時(shí)感應(yīng)電壓；若用電設(shè)備沒(méi)有任何防雷電路保護(hù)，則很容易產(chǎn)生破壞。差模的破壞作用顯而易見(jiàn)，例如正常工作為交流220V的開(kāi)關(guān)電源整流模塊，當(dāng)在電壓波形上疊加幾KV的感應(yīng)高電壓時(shí)，就有可能擊穿整流橋電路中的半導(dǎo)體器件，因此要抑制雷擊感應(yīng)電壓進(jìn)入到電源模塊中。對(duì)於共模侵入的破壞機(jī)理，要視用電設(shè)備的接地特性分別說(shuō)明。若用電設(shè)備沒(méi)有接地且感應(yīng)線路與大地離得很遠(yuǎn)，則此雷擊感應(yīng)電壓不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害

4、，設(shè)備本身可達(dá)到靜電感應(yīng)平衡。（這裡以人體作比方，在乾燥的冬季，人的身體通常會(huì)帶靜電，電壓高達(dá)幾KV，但如果不是碰到金屬門(mén)把手、感覺(jué)到放電的小痛覺(jué)，也即對(duì)大地放電，那麼我們自己可能完全感覺(jué)不到自己是個(gè)帶了幾KV高電壓的危險(xiǎn)體！）若用電設(shè)備沒(méi)有接地但感應(yīng)線路與大地離得很近，那麼線路上的感應(yīng)電壓就會(huì)與大地之間形成很強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，並將空氣電離，形成泄放迴路，巨大的電流將產(chǎn)生很大的火花甚至導(dǎo)致著火燃燒，損壞設(shè)備。若用電設(shè)備已經(jīng)接地，則雷擊感應(yīng)電壓可直接在接地迴路上產(chǎn)生很大的泄放電流，大電流必然產(chǎn)生高溫高熱，導(dǎo)致線路或元器件的燒燬，損壞程度視其對(duì)地迴路阻抗的大小而不同。4 防雷的基本策略雖然，如果用電設(shè)

5、備不接地且感應(yīng)線路與大地離得很遠(yuǎn)的方式，可以對(duì)共模侵入的雷擊起到防護(hù)作用。但是，絕大多數(shù)的電器設(shè)備都要求接地（機(jī)殼、手可觸及的金屬裸露部分等）。如果不接地，很有可能因?yàn)殡娖鳈C(jī)殼帶電而導(dǎo)致人身觸電事故，而且接地是抑制傳導(dǎo)電磁干擾（CE）和輻射電磁干擾（RE）的非常行之有效的手段之一。既然絕大部分電器都會(huì)接大地，那麼如何來(lái)防止雷擊破壞作用的發(fā)生呢？雷擊危害的實(shí)質(zhì)是瞬時(shí)感應(yīng)高電壓侵入到用電設(shè)備，然後擊穿電氣元件造成設(shè)備損壞，或者在擊穿的過(guò)程中，產(chǎn)生大電流，高溫高熱導(dǎo)致線路或器件燒燬。因此，要做到雷擊防護(hù)，必須抑制瞬時(shí)高電壓。圖1為雷擊感應(yīng)電壓侵入路徑示意圖。其中，Us為雷擊感應(yīng)電壓，Rs是線路電阻，

6、Ls是線路電感，Zd是通信電源系統(tǒng)的總輸入阻抗，Ud是電源系統(tǒng)分得的感應(yīng)電壓，Id是侵入電流。示意圖可表示差模和共模兩種雷擊侵入方式。由於Rs、Ls較小，在Zd上分得的電壓將很大，為了抑制Ud，必須降低Zd，這樣進(jìn)入通信電源系統(tǒng)的電壓可以被限制到安全電壓（以不破壞或不影響電源正常工作為準(zhǔn)）以下。當(dāng)Zd很小時(shí)，整個(gè)侵入迴路的阻抗很小，約為幾到幾十，侵入電流Id將很大，峰值可達(dá)幾KA到上百KA，因此需要為Id提供泄放通道。綜合以上所述，防雷的關(guān)鍵是要為通信電源系統(tǒng)提供一個(gè)低阻抗、大電流的旁路通道，在泄放雷擊感應(yīng)能量的同時(shí)，抑制旁路通道後級(jí)的電壓，實(shí)現(xiàn)電源保護(hù)。而低阻抗、大通流容量的旁路通道，可以由

7、一些特殊的器件實(shí)現(xiàn)。圖1 雷擊感應(yīng)電壓侵入路徑示意圖5 防雷器件介紹作為旁路雷擊能量的通道，防雷器件需要與被保護(hù)電路並聯(lián)。在無(wú)雷擊感應(yīng)電壓的狀態(tài)下，這些器件呈現(xiàn)高阻態(tài)，不對(duì)正常工作電壓作出低阻抗反應(yīng)，不對(duì)電源系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生影響。而在瞬時(shí)雷擊感應(yīng)電壓下，這些器件迅速呈現(xiàn)為低阻抗、大通流容量的特性。以下要介紹的防雷器件，無(wú)不具有上述的最基本特性。防雷器件主要包括氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻（MOV，一般為氧化鋅壓敏電阻）、瞬態(tài)抑制二極管（TVS），其主要特性如表1所示。表1 各種防雷器件的特性比較通流容量Imax (8/20uS)保護(hù)電壓Vp反應(yīng)速度寄生電容C其他優(yōu)缺點(diǎn)氣體放電管大，最大達(dá)幾百

8、KA高，精度低慢，100nS很小，幾pF存在續(xù)流問(wèn)題MOV較大，最大達(dá)幾十KA較低，較精確快，50nS大，幾百到幾千pF易老化，漏電流增大TVS較小，最大1KA左右低，精度高很快，幾pS較大，幾十pF成本較高密切聯(lián)繫項(xiàng)泄放電流能力後級(jí)電壓防護(hù)水平多級(jí)防護(hù)電路中的動(dòng)作順序電路正常運(yùn)行的最高頻率應(yīng)用場(chǎng)合、使用維護(hù)等不同 6 通信電源系統(tǒng)多級(jí)防雷電路根據(jù)電源系統(tǒng)的正常工作電壓，需要將雷擊感應(yīng)電壓抑制到這個(gè)電壓水平附近，由於各種防雷器件的性能特點(diǎn)不同，因此有時(shí)候不能僅僅依靠一種防雷器件或一級(jí)防雷電路來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制高電壓，需要多種防雷器件組合使用，形成多級(jí)防類(lèi)電路，將雷擊衝擊電流逐級(jí)釋放，將感應(yīng)電壓逐級(jí)降低

9、，最終達(dá)到期望的電壓保護(hù)水平。通信電源系統(tǒng)涉及的雷擊測(cè)試電流波形為8/20uS波形，圖2為波形說(shuō)明，後續(xù)在關(guān)於防類(lèi)電路設(shè)計(jì)說(shuō)明中的感應(yīng)源都以此8/20uS波形為準(zhǔn)。圖2 8/20uS衝擊電流波形圖3為通信電源系統(tǒng)中的室外電源系統(tǒng)多級(jí)防雷電路示意圖，其中L1、L2、L3、L4為電感或?qū)Ь€雜散電感，後者的經(jīng)驗(yàn)值為1uH/m，F(xiàn)4為溫度型保險(xiǎn)絲，用於MOV4、MOV5失效短路後的熔斷保護(hù)，其阻值一般小於1m。F1、F2、F3為電流型保險(xiǎn)絲（慢熔），其阻值一般為幾m，電感量也很小，對(duì)後續(xù)分析可作為忽略參數(shù)。圖3 室外電源系統(tǒng)多級(jí)防類(lèi)電路表2為圖3中防雷器件主要參數(shù)。表2 圖3中防雷器件主要參數(shù)防雷器件

10、額定通流能力Imax(KA)電壓保護(hù)水平Vp(KV)MOV1402.8GAS1501.2MOV2201.8GAS2201.2MOV34.51.0MOV44.50.85MOV54.50.856.1 差模感應(yīng)電壓抑制分析 首先，我們定性分析一下電感L1、L2、L3、L4對(duì)防雷性能的影響。若L1、L2、L3、L4的電感量接近0（即三級(jí)防雷之間的連接導(dǎo)線很短），當(dāng)在L、N之間侵入一個(gè)10KA的8/20uS電流時(shí)，由於MOV3電壓保護(hù)水平最低，為1.0KV，所以首先擊穿導(dǎo)通，電壓被箝位在1.0KV，而MOV2、MOV1的電壓保護(hù)水平為1.8KV和2.8KV，因此還不會(huì)完全擊穿，即不會(huì)呈現(xiàn)低阻抗，故MOV

11、2、MOV1上流過(guò)的電流仍然很小，這樣衝擊電流就會(huì)一直從已經(jīng)完全導(dǎo)通了的MOV3通過(guò)，而它的額定通流能力為4.5KA，流過(guò)10KA的衝擊電流後，MOV3將很可能損壞或炸裂。因此，雖然電路有B+C的防雷保護(hù)，額定衝擊電流可達(dá)40KA，但因?yàn)樵贚1、L2、L3、L4為0的情況下，MOV1、MOV2根本沒(méi)有發(fā)揮作用，仍然導(dǎo)致了MOV3的損壞，並最終導(dǎo)致電源模塊的防雷能力下降。 若B級(jí)防雷與C級(jí)防雷之間、C級(jí)防雷與模塊內(nèi)部防雷之間的導(dǎo)線長(zhǎng)度有1m，即L1、L2、L3、L4都達(dá)到1uH，則情況將完全不同。當(dāng)L、N之間侵入一個(gè)10KA的8/20uS電流時(shí)，MOV3仍然最先擊穿導(dǎo)通，兩端的電壓Um3被箝位在

12、1.0KV。由於此時(shí)電流正處?kù)?/20uS波形的波頭上升階段，因此有一個(gè)電流上升率di/dt，這裡可以很快算出其值為di/dt=10KA/8uS=1.25*109A/S 公式1此電流上升率將在電感L1、L2、L3、L4形成一個(gè)電壓，其計(jì)算式為U=Ldi/dt=1uH*1.25*109A/S=1.25KV 公式2那麼MOV2兩端的電壓為MOV3上電壓加上L3、L4上的電壓，即Um2=Um3+2U =1+1.25+1.25=3.5KV當(dāng)然，MOV2兩端電壓不可能達(dá)到3.5KV，因?yàn)楫?dāng)電壓上升到1.8KV時(shí)，MOV2就會(huì)完全擊穿導(dǎo)通，電壓就會(huì)被箝位在1.8KV。同樣的，MOV1上的電壓等於MOV2兩

13、端電壓加上L3、L4上的電壓，即Um1=Um2+2U =1.8+1.25+1.25=4.3KV同樣，MOV1兩端電壓不可能達(dá)到4.3KV，因?yàn)楫?dāng)電壓上升到2.8KV時(shí)，MOV1就會(huì)完全擊穿導(dǎo)通，電壓就會(huì)被箝位在2.8KV。這樣，由於L1、L2、L3、L4的存在，將使得三級(jí)防雷器件都能擊穿導(dǎo)通，洩放衝擊電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電源模塊的保護(hù)。6.2 共模感應(yīng)電壓抑制分析 圖3電路對(duì)於從L或N引入對(duì)地的共模雷擊感應(yīng)電壓的抑制作用分析同差模抑制分析類(lèi)似。 若共模衝擊電流仍為10KA的8/20uS波形電流，並從N線侵入，則MOV4擊穿導(dǎo)通，其兩端電壓被箝位在0.85KV（溫度型熔絲F1的導(dǎo)通壓降可忽略）。同樣

14、，電感L4上會(huì)感應(yīng)出1.25KV的電壓。氣體放電管GAS2的電壓為MOV4電壓與L4電壓之和，大於1.2KV，GAS2擊穿放電，保護(hù)作用得以實(shí)現(xiàn)。 若共模感應(yīng)電壓從L線侵入，由於電路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性，將不同於N線的共模抑制方式。對(duì)於C級(jí)防雷器件，要實(shí)現(xiàn)從L線到地的擊穿導(dǎo)通，擊穿電壓應(yīng)是MOV2與GAS2的電壓保護(hù)水平之和，即1.8KV+1.2KV=3.0KV。同理，對(duì)於B級(jí)防雷器件，要實(shí)現(xiàn)從L線到地的擊穿導(dǎo)通，擊穿電壓應(yīng)應(yīng)是MOV1與GAS1的電壓保護(hù)水平之和，即2.8KV+1.2KV=4.0KV。這樣的話，B、C級(jí)防雷器件應(yīng)該更不容易擊穿導(dǎo)通。 當(dāng)L與地之間侵入一個(gè)8/20uS波形的20KA電

15、流時(shí)，根據(jù)公式1，得di/dt=20KA/8uS=2.5*109A/S根據(jù)公式2，電感L1、L3產(chǎn)生的電壓為U=Ldi/dt=1uH*2.5*109A/S=2.5KV由於MOV5先導(dǎo)通，電壓被箝位在0.85KV，此電壓加上電感L3上的電壓2.5KV，則L3前端的電壓為0.85KV+2.5KV=3.35KV3.0KV，因此MOV2、GAS2擊穿導(dǎo)通，洩放電流，電壓被箝位在3.0KV，保護(hù)功能得以實(shí)現(xiàn)。 若L與地之間侵入一個(gè)8/20uS波形的10KA電流時(shí)，電感L1、L3上的電壓只有1.25KV，L3前端的電壓為0.85KV+1.25KV=2.1KV3.0KV，因此MOV2、GAS2不會(huì)擊穿導(dǎo)通。

16、同樣，L1前端的電壓為2.1KV+1.25KV=3.35KV4.0KV，因此MOV1、GAS1也不會(huì)擊穿導(dǎo)通。這樣，所有10KA衝擊電流都將從MOV5上通過(guò)，會(huì)導(dǎo)致MOV5的損壞。 從以上分析比較中我們發(fā)現(xiàn)，按照?qǐng)D3中的多級(jí)防雷電路結(jié)構(gòu)，若L1、L3的電感量只有1uH，則會(huì)出現(xiàn)對(duì)20KA衝擊電流有很好防護(hù)作用、但對(duì)於10KA衝擊電流卻失去了防護(hù)作用的現(xiàn)象，這就需要我們重新進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，調(diào)整防雷電路中的器件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)真正可靠的防雷保護(hù)。6.3 電感L3的計(jì)算因?yàn)镸OV5的通流能力Imax=4.5KA，對(duì)於從L線侵入的共模衝擊電流，假設(shè)4KA以下的電流只從MOV5洩放，而對(duì)於大於4KA的電流，就要

17、求同時(shí)從MOV2、GAS2上洩放，那麼L3前端的電壓就必須達(dá)到3.0KV，故電感L3上電壓U=3.0-0.85=2.15KV，根據(jù)下列公式可計(jì)算出L3的電感值。U=L3*di/dt2.15KV=L3*4KA/8uSL3=4.3uH L3要達(dá)到4.3uH，若用直導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)，則需要4m多，為了縮短線長(zhǎng)，可將導(dǎo)線作螺旋狀盤(pán)起，形成一個(gè)較大的電感。若還要減少線材用量，則可將線材繞低值磁芯實(shí)現(xiàn)，但要注意磁芯不能飽和，因?yàn)橐惺軘?shù)十KA的衝擊電流。這種能夠?qū)崿F(xiàn)將電流洩放路徑由後端防雷器轉(zhuǎn)移到前端防雷器上的電感，我們稱(chēng)之為退耦電感。 多級(jí)防雷電路的匹配是非常重要的，可以用退耦電感分壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各級(jí)防雷器件的

18、擊穿動(dòng)作時(shí)序，在各級(jí)防雷器件上更合理的分配雷擊衝擊電流的大小，達(dá)到能防“大雷”也能防“小雷”的保護(hù)功能。7 線路板上的多級(jí)防雷電路設(shè)計(jì)圖4為通信電源對(duì)外RS485接口的防雷電路，最大可承受5KA的共模、差模衝擊電流，表3是圖中氣體放電管和TVS的主要參數(shù)。電路同樣利用了氣體放電管通流能力大、TVS管保護(hù)電壓低的優(yōu)點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)RS485通訊口的保護(hù)。如何發(fā)揮兩種防雷器件的優(yōu)點(diǎn)，如何組合在電路中匹配使用，仍是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。這裡，同樣要利用電壓差來(lái)推動(dòng)前級(jí)氣體放電管動(dòng)作，只不過(guò)這裡不用電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是利用電阻，因?yàn)殡姼袝?huì)對(duì)正常的通訊功能造成影響，電路的具體設(shè)計(jì)說(shuō)明如下。圖4 RS485對(duì)外接口防雷電路

19、表3 圖4中防雷器件主要參數(shù)防雷器件額定通流能力Imax(A)電壓保護(hù)水平Vp(V)GT15000700TVS1、TVS2、TVS35710.5 當(dāng)差模5KA衝擊電流侵入時(shí)，TVS2首先動(dòng)作，並洩放電流，電壓被迅速箝位在10.5V左右，對(duì)後端電路實(shí)現(xiàn)了電壓保護(hù)。電流同時(shí)在電阻R1、R3上產(chǎn)生一個(gè)壓降U，計(jì)算如下U=（R1+R3）* i = 30iR2、R4上的壓降U同樣為30i，所以GT1兩端電壓為10.5+60i。GT1若要導(dǎo)通，電流i必須大到一定值，計(jì)算如下。10.5+60i = 700i=11.5A所以，當(dāng)TVS2上的衝擊電流上升到11.5A時(shí)，電阻上的疊加電壓令GT1導(dǎo)通，幾乎所有電流

20、都將從GT1被洩放掉。 若共模5KA衝擊電流從“RS485+”侵入，TVS1將首先動(dòng)作，並洩放電流，電壓被迅速箝位在10.5V左右。同時(shí)，電阻R1、R3上產(chǎn)生一個(gè)壓降U=（R1+R3）* i = 30i。GT1若要導(dǎo)通，電流i必須大到一定值，計(jì)算如下。10.5+30i = 700i=23A所以，當(dāng)TVS1上的衝擊電流上升到23A時(shí)，電阻R1、R3上的疊加電壓令GT1導(dǎo)通，幾乎所有電流都將從GT1被洩放掉。 由於電路的對(duì)稱(chēng)性，防雷電路對(duì)從“RS485-”侵入共模5KA衝擊電流的抑制作用的原理相同，GT1能與TVS3良好配合，將衝擊電流洩放掉。 圖中的4顆電阻，耐壓為350V，R1、R3串聯(lián)和R2、R4串聯(lián)的耐壓可達(dá)700V