雷擊危害與防護(hù)新方案介紹

雷擊危害與防護(hù)新方案介紹第一頁，共34頁。目錄一、雷擊浪涌危害簡介二、雷擊對(duì)電子通訊設(shè)備的影響三、常用雷擊防護(hù)方案及元件四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計(jì)五、新方案測(cè)試報(bào)告六、雷擊浪涌防護(hù)新方案的應(yīng)用七、討論第二頁，共34頁。一、雷擊浪涌危害簡介雷擊浪涌基本概念

雷擊浪涌危害表現(xiàn)形式

雷擊危害的防護(hù)

電子設(shè)備的防護(hù)重點(diǎn)

第三頁，共34頁。一、雷擊浪涌危害簡介

雷擊浪涌基本概念

雷電是自然界所發(fā)生的云間或云地間的高電壓、大電流放電現(xiàn)象，往往伴隨著巨大的能量釋放，當(dāng)該放電對(duì)建筑、設(shè)備、甚至人身安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響時(shí)，就形成雷擊浪涌危害。

每次雷擊往往是一個(gè)串行序列，由多次放電構(gòu)成，但一般遵循能量遞減規(guī)律，放電時(shí)間幾十到幾百微秒，放電間隔在幾毫秒到上百毫秒范圍，首次放電最強(qiáng)烈；

隨著電子設(shè)備向集成化、小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、在線待機(jī)功能等方向的發(fā)展，雷擊危害的威脅表現(xiàn)得越來越嚴(yán)重；

雷電的形成與氣候、地形地貌、建筑等相關(guān)，有明顯的區(qū)域和季節(jié)特點(diǎn)，當(dāng)前建筑防雷規(guī)范的建立及實(shí)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于形勢(shì)的要求。

第四頁，共34頁。一、雷擊浪涌危害簡介雷擊浪涌危害的表現(xiàn)形式

直擊雷：放電直接作用于保護(hù)目標(biāo)，使其成為放電端或放電通道的一部分；

間接雷：放電電流并不直接通過保護(hù)目標(biāo)，但雷擊過程產(chǎn)生的高壓、漏電流、地電位反擊、耦合能量等會(huì)對(duì)保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生影響；感應(yīng)雷：主要是放電時(shí)產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)變化通過耦合方式在保護(hù)目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生高壓或大電流沖擊。云間放電也可能對(duì)保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生感應(yīng)雷擊，大大增加了威脅范圍和程度；次生危害：火災(zāi)、次聲波、沖擊波、機(jī)械結(jié)構(gòu)損害等。

感應(yīng)雷強(qiáng)度不僅與放電強(qiáng)度相關(guān)，與距離、方向、耦合回路狀態(tài)關(guān)系也很大。

據(jù)測(cè)算，400米高空100KA云間放電，在500米長架空明線上可產(chǎn)生2KV的線間感應(yīng)沖擊；

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，感應(yīng)雷擊的威脅更為顯著。第五頁，共34頁。一、雷擊浪涌危害簡介

雷擊危害的防護(hù)

建筑防護(hù)：避雷/引雷系統(tǒng)，盡可能將雷擊電流引入大地

一級(jí)防護(hù)：初級(jí)SPD，建筑入口保護(hù)

二級(jí)防護(hù)：次級(jí)SPD，用戶入戶保護(hù)

三級(jí)防護(hù)：三級(jí)SPD，設(shè)備端口防護(hù)

一級(jí)防護(hù)必須考慮到建筑內(nèi)的各種安全，例如易燃易爆物品、人身安全等，一般要求100KA@10/350us以上的防護(hù)等級(jí)

對(duì)于電子設(shè)備的三級(jí)防護(hù)來說，主要是保證設(shè)備自身的安全，要求可以比一、二級(jí)防護(hù)適當(dāng)降低，但從實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來看，在雷擊頻發(fā)地區(qū)，國標(biāo)GT17626.5所定義的4KV（2KA）偏低，保護(hù)能力不足。

普通用戶很少具備完善的雷擊防護(hù)系統(tǒng)，一般僅具備建筑防護(hù)，少量具備一級(jí)防護(hù)，極個(gè)別采用了二級(jí)防護(hù)。第六頁，共34頁。二、雷擊對(duì)電子通訊設(shè)備的影響

雷擊對(duì)電子通訊設(shè)備的威脅

雷擊信號(hào)的饋入方式

雷擊信號(hào)的關(guān)鍵影響第七頁，共34頁。二、雷擊對(duì)電子通訊設(shè)備的影響雷擊對(duì)電子通訊設(shè)備的威脅目前的電子通訊設(shè)備應(yīng)用主要依托于網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所構(gòu)成的電氣互連更容易耦合并引入雷擊信號(hào)電子設(shè)備的小型化、低功率化使其浪涌耐受能力下降雷擊所導(dǎo)致的設(shè)備軟、硬故障給運(yùn)營帶來嚴(yán)重問題電子設(shè)備防雷相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重滯后于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所提出的需求

典型事例之一：國內(nèi)某知名通訊設(shè)備公司早期出口南美的通訊設(shè)備，就因其高密度、大能量、大范圍的雷擊導(dǎo)致極高的故障率，最后不得不對(duì)設(shè)備防雷方面的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂并在設(shè)備上增加額外的防雷措施。

典型事例之二：國內(nèi)某地廣電數(shù)字化改造所采購的某廠商機(jī)頂盒，在舊城區(qū)推廣時(shí)，保修期內(nèi)的設(shè)備損壞率超過60％，主要也是由于雷擊影響造成。第八頁，共34頁。二、雷擊對(duì)電子通訊設(shè)備的影響雷擊信號(hào)的饋入方式

電源母線饋入

信號(hào)線纜饋入

保護(hù)接地饋入

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，電源母線饋入是威脅最大的雷擊信號(hào)引入方式，特別是在架空明線供電的場(chǎng)合。主要是由于架空線纜距離長、回路面積大，因此容易耦合高強(qiáng)度的雷擊信號(hào)；其次就是電力線纜寄生阻抗小，大部分耦合雷擊功率都要通過負(fù)載設(shè)備消耗，因此設(shè)備受到的威脅也就最大。

對(duì)于光纖接入，基本上不存在信號(hào)線纜饋入和保護(hù)地饋入問題。對(duì)于分配端輸出，由于采用了屏蔽線纜，并且傳輸距離比較短，因此耦合信號(hào)相對(duì)小很多。

——因此，對(duì)于接入網(wǎng)或分配網(wǎng)應(yīng)用，防雷措施主應(yīng)要針對(duì)電源母線。第九頁，共34頁。二、典型雷擊防護(hù)方案

電子設(shè)備典型的雷擊

保護(hù)方案

常用保護(hù)元件及特點(diǎn)

典型保護(hù)方案的特點(diǎn)

第十頁，共34頁。三、典型雷擊防護(hù)方案

典型電源端口保護(hù)電路：

三個(gè)壓敏電阻VDR，一個(gè)氣體放電管GDT

（VoltageDependentResistor）

（GasDischargeTube)

☆：GDT作用：一是保護(hù)地浮動(dòng)，造成火地、零地電壓離散大，VDR漏電不可預(yù)期

二是滿足高壓測(cè)試的要求，避免高壓測(cè)試漏電流超標(biāo)

該GDT規(guī)格要求比較高，導(dǎo)致其成本相對(duì)來說比較高

部分場(chǎng)合，GDT被省略，火/零線直接通過壓敏電阻到保護(hù)地，可靠性？第十一頁，共34頁。三、典型雷擊防護(hù)方案改善的電源端口保護(hù)電路：

與典型方案相比，增加隔離電感L和第二級(jí)VDR

隔離電感的存在，抑制了沖擊輸入時(shí)，向第二級(jí)灌入的電流

第二級(jí)VDR電流較低，可獲得更低的箝位電壓

隔離電感的電感量一般在5－15uH第十二頁，共34頁。三、典型雷擊防護(hù)方案

典型方案及改善方案說明

共模防護(hù)由MOV＋GDT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)；差模防護(hù)由獨(dú)立的MOV實(shí)現(xiàn)

問題：

差模防護(hù)MOV的殘壓和漏電流是個(gè)突出矛盾 ——控制殘壓必須降低MOV耐壓 ——MOV耐壓降低則漏電流增加，影響壽命和可靠性

MOV耐壓參數(shù)離散性10－20％，對(duì)于470V器件，可能其Vv（1mA）只有370V； ——因此設(shè)計(jì)選型時(shí)的安全余量必須放得足夠?qū)挕?/p>

470V的MOV在1KA電流時(shí)的殘壓大約在1KV，2KA時(shí)大約1.2KV； 560V的MOV在1KA電流時(shí)的殘壓大約在1.3KV，2KA時(shí)則大約1.5KV；

——1KV以上的殘壓對(duì)于小功率設(shè)備，威脅尤其嚴(yán)重！ ——高殘壓導(dǎo)致瞬間功耗增大，對(duì)于防雷元件本身的可靠性不利

某廠商設(shè)計(jì)的20W交換機(jī)電源模塊，根據(jù)客戶要求采用單級(jí)20D561MOV保護(hù)， 4KV測(cè)試時(shí)殘壓1500V，循環(huán)試驗(yàn)時(shí)整流濾波電容(47uF/400V)發(fā)生多次爆漿故障。第十三頁，共34頁。三、典型雷擊防護(hù)方案

常用雷擊防護(hù)元件之壓敏電阻

特性：

低壓高阻抗，高壓阻抗急劇降低

可承受千安級(jí)電流

標(biāo)稱耐壓值以1mA漏電流為參考

反應(yīng)速度快

成本比較低

缺點(diǎn)：

殘壓比較高，尤其是電流較大時(shí)

高殘壓導(dǎo)致器件沖擊功耗非常大

參數(shù)離散大，尤其是長期工作后

低耐壓參數(shù)時(shí)，漏電流相對(duì)比較大

漏電流引起的老化，參數(shù)退化嚴(yán)重

第十四頁，共34頁。三、典型雷擊防護(hù)方案

常用防護(hù)元件之氣體放電管

特點(diǎn)

觸發(fā)型元件，觸發(fā)前完全開路，觸發(fā)后近似短路

放電電流容量可以達(dá)到5KA、10KA量級(jí)

沖擊耐壓要遠(yuǎn)高于直流耐壓，差額范圍500－1000V

阻抗高、電容小，無漏電流問題

缺點(diǎn)

沖擊觸發(fā)需要時(shí)間200－500ns

浪涌保護(hù)為沖擊觸發(fā)模式，電壓高

極限參數(shù)下的壽命短，10次左右

必須提供續(xù)流限制設(shè)計(jì)，避免危險(xiǎn)第十五頁，共34頁。三、典型雷擊防護(hù)方案

常用防護(hù)元件之TVS、TSS TVS、TSS都是半導(dǎo)體工藝元件，寄生效應(yīng)小，動(dòng)作快

體積小，容量低，通常應(yīng)用在信號(hào)端口保護(hù)場(chǎng)合TVS：

電壓箝位元件，導(dǎo)通特性類似于箝位二極管

適用于靜電防護(hù)場(chǎng)合TSS：

電壓觸發(fā)短路元件，導(dǎo)通特性類似于可控硅

電流容量最大可達(dá)到百安量級(jí)

適用于信號(hào)端口的浪涌防護(hù)場(chǎng)合第十六頁，共34頁。三、典型雷擊防護(hù)方案常用防護(hù)元件之玻璃放電管特點(diǎn)

氣體放電管和半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物

耐電壓/電流指標(biāo)相對(duì)較高（電壓最高5KV，沖擊電流最大3KA）

寄生效應(yīng)小、動(dòng)作速度快

缺點(diǎn)

器件體積小，能量吸收能力差

缺乏通用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)鍵參數(shù)離散性大

可靠性一般第十七頁，共34頁。三、典型雷擊防護(hù)方案典型雷擊防護(hù)電路的改善

對(duì)于殘壓控制而言，最常見的改善方法是采用兩級(jí)箝位保護(hù)

放電電流主要通過初級(jí)泄放，次級(jí)電流比較小，可以降低次級(jí)殘壓。

在兩級(jí)保護(hù)之間串接10米左右的線纜或8－19uH的電感；

可將殘壓降低至1KV左右，但漏電流風(fēng)險(xiǎn)依舊存在。

另一個(gè)改善方案是壓敏電阻串聯(lián)放電間隙，可減小漏電流老化威脅

放電間隙提高了擊穿電壓，且擊穿參數(shù)受環(huán)境影響離散性很大

（據(jù)稱LG的液晶TV采用了此方案）

為應(yīng)付安規(guī)要求，常見的解決方法是壓敏電阻串聯(lián)慢熔保險(xiǎn)絲

可避免壓敏電阻老化帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)于其老化的現(xiàn)實(shí)情況無改善

保險(xiǎn)絲的選型是一個(gè)問題，熔斷能量(I^t)與電流限額需要折中第十八頁，共34頁。四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)

方案原理

方案特點(diǎn)第十九頁，共34頁。四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)

——主要針對(duì)高可靠防雷應(yīng)用

高可靠

大電流、低殘壓、快速反應(yīng)

盡可能減少對(duì)負(fù)載設(shè)備的影響

——不斷電、不停機(jī)

降低老化失效風(fēng)險(xiǎn)

——減少漏電流威脅和續(xù)流風(fēng)險(xiǎn)

擴(kuò)展浪涌波形適應(yīng)性

通用性

可適用于更寬范圍的負(fù)載設(shè)備，尤其是小功率負(fù)載

——數(shù)碼及通訊設(shè)備

可適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合，電源模塊、線纜、插座

適用性

結(jié)構(gòu)與空間占用小

成本可控

工藝性好

第二十頁，共34頁。四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計(jì)

方案結(jié)構(gòu)：

共模保護(hù)采用3000VGDT通用方案

前端采用MOV+GDT作為初級(jí)差分防護(hù)

后端采用ASIC＋MOV作為次級(jí)差分防護(hù) L/N線上串聯(lián)自感變壓器方案原理：

自感變壓器產(chǎn)生的高壓觸發(fā)初、次級(jí)啟動(dòng) ASIC主要保證觸發(fā)信號(hào)的可靠性、觸發(fā)信號(hào)的時(shí)序控制及限流

差分GDT的存在避免漏電老化威脅 ASIC保證在多個(gè)保護(hù)單元并聯(lián)時(shí)，有足夠多的單元同時(shí)動(dòng)作 FUSE上所通過的沖擊電流占比很小第二十一頁，共34頁。四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計(jì)

原理框圖

第二十二頁，共34頁。四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計(jì)新方案特點(diǎn)：

高可靠性，解決了目前常用防雷方案的各種問題

耐沖擊極限參數(shù)高；

動(dòng)作快，殘壓低；

沖擊波形適應(yīng)性強(qiáng)，尤其是針對(duì)緩變沖擊；

無老化風(fēng)險(xiǎn)，無器件漏電發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)；

負(fù)載設(shè)備供電不受影響

電路結(jié)構(gòu)獨(dú)立，與負(fù)載設(shè)備類型基本無關(guān)

模塊化結(jié)構(gòu)，可適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合

第二十三頁，共34頁。五、新方案測(cè)試報(bào)告測(cè)試地點(diǎn)： DQE實(shí)驗(yàn)室

測(cè)試設(shè)備： 15KV浪涌信號(hào)發(fā)生器

TEK示波器

測(cè)試負(fù)載： 300WPC電源、120WAdapter

測(cè)試信號(hào)：1.2/50us電壓波形，差分模式 4KV、6KV、8KV、14KV

測(cè)試樣品：SP2102V1.0A

第二十四頁，共34頁。五、新方案測(cè)試報(bào)告4KV測(cè)試

輸出波形120WPC電源作為負(fù)載

殘壓385V，寬度30us

尖沖505V，寬度3us

后續(xù)一個(gè)大約2.8ms振鈴

為測(cè)試設(shè)備LC回路產(chǎn)生

振鈴正負(fù)峰值同樣被箝位

振鈴后電源輸出波形正常 GDT放電聲音細(xì)微第二十五頁，共34頁。五、新方案測(cè)試報(bào)告8KV測(cè)試

輸出波形120WPC電源作為負(fù)載

殘壓400V，寬度30us

尖沖505V，寬度3us

后續(xù)一個(gè)大約2.8ms振鈴

為測(cè)試設(shè)備LC回路產(chǎn)生

振鈴后電源輸出波形正常

振鈴正負(fù)峰值同樣被箝位 GDT放電和緩第二十六頁，共34頁。五、新方案測(cè)試報(bào)告

16KV測(cè)試輸出波形

120WPC電源作為負(fù)載

殘壓420V，寬度30us

尖沖505V，寬度3us

后續(xù)一個(gè)大約2.8ms振鈴

為測(cè)試設(shè)備LC回路產(chǎn)生

振鈴后電源輸出正常

振鈴正負(fù)峰值同樣被箝位 GDT放電相對(duì)和緩

第二十七頁，共34頁。五、新方案測(cè)試報(bào)告測(cè)試結(jié)論：

1.施加沖擊信號(hào)，當(dāng)輸出達(dá)到500V左右時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)；2.保護(hù)啟動(dòng)后，殘壓被限制在385－550V之間，具體值與沖擊電壓相關(guān)；3.對(duì)于1.2/50us沖擊波形，殘壓脈沖寬度基本固定在30-40us左右；

4.對(duì)于測(cè)試設(shè)備LC網(wǎng)絡(luò)帶來的輸入振鈴波動(dòng)，同樣起到箝位作用；5.保護(hù)啟動(dòng)不影響正常電源波形的輸出，可以保證輸入的連續(xù)性；6.4KV－16KV測(cè)試過程中，GDT放電相對(duì)平緩，無其它打火、崩片現(xiàn)象；7.極限保護(hù)參數(shù)和殘壓符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。第二十八頁，共34頁。六、新方案的應(yīng)用實(shí)施

防雷防浪涌模塊

防雷防浪涌電源

防雷防浪涌線纜

防雷防浪涌插座第二十九頁，共34頁。六、新方案的應(yīng)用實(shí)施

防雷防浪涌模塊

模塊組件設(shè)計(jì)，可嵌入開關(guān)電源、電子產(chǎn)品內(nèi)部