開(kāi)關(guān)電源中浪涌尖峰電壓的處理措施

熊昶智 游冬

摘? 要：電子設(shè)備供電環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，浪涌尖峰電壓在開(kāi)關(guān)電源中也越來(lái)越常見(jiàn)。在系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)時(shí)，需著重考慮開(kāi)關(guān)電源的抗浪涌尖峰電壓能力。本文專門(mén)討論開(kāi)關(guān)電源中浪涌尖峰電壓的處理措施，希望能為提高開(kāi)關(guān)電源的安全性、可靠性提供一些設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;浪涌尖峰電壓;處理措施

引言

浪涌尖峰電壓是指超過(guò)正常供電范圍的瞬時(shí)過(guò)電壓，在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中均對(duì)浪涌尖峰電壓要求進(jìn)行相應(yīng)規(guī)定，如GJB151B-2013和HB6167.24中均對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境提出了不同的抗浪涌尖峰電壓要求。因此，能否有效提升開(kāi)關(guān)電源對(duì)浪涌尖峰電壓的防范能力，是提高開(kāi)關(guān)電源環(huán)境適應(yīng)性、安全性、可靠性的關(guān)鍵。

一、浪涌電壓的基本要素

浪涌尖峰電壓是開(kāi)關(guān)電源當(dāng)中的一種常見(jiàn)現(xiàn)象。HB6167.24《雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)》中規(guī)定，由雷電感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌電壓可分為5個(gè)電平等級(jí)，其中，電壓峰值最高可達(dá)3200V，電流峰值最高可達(dá)5000A，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)500μs以上。同樣，GJB151B-2013中也規(guī)定了供電系統(tǒng)中形成的浪涌尖峰電壓試驗(yàn)波形，具體波形如下圖所示。

VPeak=400V;tr= 1.5±0.5μs;tf= 3.5±0.5μs;td= 5.0μs±22%;

Vsag≤120 V;tsag≤20μs。

由上述標(biāo)準(zhǔn)可知，浪涌電壓峰值最高可達(dá)幾千伏，持續(xù)時(shí)間通常為幾微秒到幾百微秒之間，具有電壓峰值高、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)。

二、浪涌尖峰電壓的形成原因

浪涌尖峰電壓產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)：

一個(gè)是雷電，主要通過(guò)兩個(gè)渠道對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生影響。一是雷電直接擊中設(shè)備上的避雷針，產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)，對(duì)金屬回路產(chǎn)生壓電流或電動(dòng)勢(shì)。二是雷電對(duì)線路附近的大地放電，由電磁感應(yīng)產(chǎn)生雷電沖擊或浪涌尖峰電壓，并沿著線路入侵到與之相連的電子設(shè)備。

另一個(gè)是供電系統(tǒng)上大型負(fù)荷通斷時(shí)產(chǎn)生的。通常供電系統(tǒng)中存在寄生電感或?yàn)V波電感，當(dāng)大型負(fù)荷接通或斷開(kāi)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致流過(guò)電感上的電流急劇變化，產(chǎn)生阻礙電流變化的反向電動(dòng)勢(shì)，形成尖峰電壓，其峰值大小主要與電流突變的速率和電感量大小相關(guān)。

三、浪涌電壓的處理措施

開(kāi)關(guān)電源通常具有較寬的輸入電壓，對(duì)輸入電壓的容差范圍較大，同時(shí)根據(jù)浪涌尖峰電壓峰值高，持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，通常采用能量吸收型方案對(duì)浪涌尖峰電壓進(jìn)行濾除，即采用能量吸收型器件對(duì)浪涌能量進(jìn)行吸收，實(shí)現(xiàn)電壓鉗位，保護(hù)后級(jí)電路的目的。目前，常用的能量吸收型元器件主要有：氣體放電管、壓敏電阻、TVS管。

（一）氣體放電管

其工作原理為：當(dāng)兩極電壓足夠大時(shí)，極間間隙擊穿放電，由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電狀態(tài)，將兩極間的電壓鉗位至一個(gè)低壓范圍內(nèi)，一般在20V～50V之間。其優(yōu)點(diǎn)是通流量較大;絕緣電阻高;極間電容小。并接在線路上基本不會(huì)對(duì)主回路造成影響。其缺點(diǎn)是體積較大;響應(yīng)時(shí)間慢，通常為幾百納秒到幾微秒之間;壽命相對(duì)較短，長(zhǎng)時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問(wèn)題。

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，除了關(guān)注氣體放電管的直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量等參數(shù)外，其續(xù)流遮斷也是一個(gè)重點(diǎn)考慮因素。如前所述，氣體放電管在續(xù)流狀態(tài)下的電壓一般為20V～50V之間，不能直接應(yīng)用于大于15V的供電線上。

（二）壓敏電阻

其工作原理是利用壓敏電阻的非線性特征，當(dāng)電壓尖峰出現(xiàn)在壓敏電阻的兩端時(shí)，壓敏電阻將通過(guò)改變阻值，將電壓鉗位至相對(duì)固定的電壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。

壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)，比空氣放電管快，比TVS管稍慢;通流量較大，通常比氣體放電管小，比TVS管大;壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級(jí)范圍，不宜直接應(yīng)用在高頻線路中，同時(shí)，較大的結(jié)電容也會(huì)增大漏電流，在交流防護(hù)中，需對(duì)漏電流進(jìn)行充分考慮。壓敏電阻也存在壽命較短的缺陷，長(zhǎng)時(shí)間使用后存在維護(hù)更換的問(wèn)題。

（三）TVS管

TVS管屬于限壓型器件，作用與壓敏電阻類(lèi)似，同樣是利用器件的非線性特征將過(guò)電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值。其主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間。

TVS管的響應(yīng)時(shí)間通常為ps級(jí)，是限壓型器件中最快的。TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體上可分為兩類(lèi)：高結(jié)電容型TVS管，一般在幾百pF～幾千pF;低結(jié)電容型TVS管，一般為幾pF～幾十pF。在高頻線路中，為避免信號(hào)失真，需選用低結(jié)電容的TVS管。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當(dāng)通過(guò)TVS管的電流增大時(shí)，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，可獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在精細(xì)保護(hù)電路中，應(yīng)用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的，一般用于最末級(jí)的精細(xì)保護(hù)。TVS管可靈活選用單向或雙向保護(hù)器件，在單極性的電路中，選用單向TVS管可以獲得較低的殘壓。

在抗浪涌尖峰電壓設(shè)計(jì)時(shí)，首先需對(duì)設(shè)備所需承受的浪涌尖峰電壓所具備的能量大小進(jìn)行分析;再根據(jù)設(shè)備能承受的最大工作電壓，對(duì)輸入電壓的容差進(jìn)行分析;最后根據(jù)上述分析結(jié)果選擇一個(gè)合適的電壓鉗位點(diǎn)及相應(yīng)的能量吸收性器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。通常，設(shè)備所承受的浪涌尖峰電壓能量較低（電壓峰值≤600V，持續(xù)時(shí)間≤10us）的電路可采用壓敏電阻或TVS管進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì);浪涌尖峰電壓能量較高的電路，需采用氣體放電管、壓敏電阻、TVS管進(jìn)行組合使用。在多種能量吸收型器件進(jìn)行組合設(shè)計(jì)時(shí)，為避免器件之間響應(yīng)時(shí)差導(dǎo)致防護(hù)電路損壞的情況發(fā)生，可在主回路中串入空心電感，調(diào)整不同器件之間的響應(yīng)時(shí)間。

在進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源抗浪涌尖峰電壓設(shè)計(jì)時(shí)，需注意的因素較多，主要有以下幾個(gè)方面：

1、殘壓水平應(yīng)能保護(hù)后級(jí)電路免受損壞;

2、具有足夠快的動(dòng)作響應(yīng)速度，盡早動(dòng)作限壓和旁路泄流;

3、在設(shè)備的最高工作電壓時(shí)不應(yīng)動(dòng)作，且留有一定余量;

4、不應(yīng)給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。如，能量吸收型器件的失效模式大多是短路模式，需串入熔斷絲進(jìn)行保護(hù);

5、在多種能量吸收型器件進(jìn)行組合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意各級(jí)防護(hù)器件間的良好配合，避免后級(jí)防護(hù)電路先于前一級(jí)防護(hù)電路動(dòng)作的情況。

結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)關(guān)電源以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)得到了較廣泛的運(yùn)用。在開(kāi)關(guān)電源實(shí)際應(yīng)用中，不可避免地存在浪涌尖峰電壓的狀況。對(duì)此，需要在開(kāi)關(guān)電源的輸入端設(shè)置相應(yīng)防護(hù)電路，提高開(kāi)關(guān)電源的安全性和穩(wěn)定性。

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