EMC電源浪涌防護(hù)分析方法介紹

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國(guó)標(biāo)與規(guī)定

浪涌防護(hù)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。電源部分的浪涌防護(hù)，尤其重要。

電源模塊的浪涌測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是參照IEC61000-4-5。該標(biāo)準(zhǔn)適用于電氣和電子設(shè)備在規(guī)定的工作狀態(tài)下工作時(shí)，對(duì)由開(kāi)關(guān)或雷電作用所產(chǎn)生的有一定危害電平的浪涌電壓的反應(yīng)。該標(biāo)準(zhǔn)不對(duì)絕緣物耐高壓的能力進(jìn)行試驗(yàn)，也不考慮直擊雷。

該標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)等級(jí)分類如下：

對(duì)于電源部分，浪涌沖擊規(guī)定的波形如下：

對(duì)于普通的電源浪涌測(cè)試，其放電電路內(nèi)阻通常為2Ω，因此短路峰值電流通常為開(kāi)路峰值電壓的一半。

開(kāi)路電壓的函數(shù)表達(dá)式為：

短路電流的函數(shù)表達(dá)式：

感興趣者可以對(duì)以上兩公式進(jìn)行傅里葉變換，分析其頻域特性。

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常用防護(hù)器件

浪涌防護(hù)電路常用的器件主要有3種：瞬態(tài)抑制二極管（TVS）、壓敏電阻（MOV）、氣體放電管。

在通流能力上，TVS

在反應(yīng)速度上：TVS>MOV>放電管。時(shí)間分別是

在使用中，通常將氣體放電管作為第一級(jí)防護(hù)，MOV作為第二級(jí)防護(hù)，tvs作為最后一級(jí)防護(hù)。即：氣體放電管放在最接近接口的位置，MOV稍遠(yuǎn)，tvs則主要是保護(hù)需要保護(hù)的器件。

TVS反應(yīng)快，但是能通過(guò)的電流小，且自身結(jié)電容大；壓敏電阻結(jié)電容大，能通過(guò)的電流較大，但自身阻抗非線性明顯，隨著電流上升，會(huì)有較大的殘壓，有壽命損耗；氣體放電管能通過(guò)的電流很大，有結(jié)電容小的優(yōu)點(diǎn)，但是反應(yīng)速度慢。且有弧光效應(yīng)，在交流應(yīng)用中，有可能經(jīng)過(guò)半波才滅弧，在直流應(yīng)用中，弧光電壓制約了直流工作電壓的幅值，如果正常直流工作電壓高于弧光電壓，則導(dǎo)通后會(huì)一直導(dǎo)通，直至燒毀。

下圖左圖為壓敏電阻的特性圖；右圖為氣體放電管的特性圖，請(qǐng)參考。

請(qǐng)注意右圖氣體管的波形，Vbk為擊穿電壓，擊穿之后，電壓迅速下降到輝光區(qū)，Vgl為輝光電壓，隨著電流進(jìn)一步增大，導(dǎo)通電壓進(jìn)一步降低到弧光區(qū)，Varc為弧光電壓，電流繼續(xù)增大，氣體管維持弧光電壓。當(dāng)電流減小，電壓從弧光區(qū)進(jìn)入輝光區(qū)，進(jìn)而在Vh處熄滅截止。在使用中，一定要保證直流電壓的正常工作范圍低于氣體放電管的弧光電壓，否則氣體放電管會(huì)一直導(dǎo)通直至燒毀。

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常用防護(hù)電路

如上圖，試圖用不同參數(shù)的壓敏并聯(lián)，或者壓敏和tvs直接并聯(lián)，都是不可取的。這種情況只會(huì)將導(dǎo)通電壓低的器件或者導(dǎo)通速度快的器件燒毀。在使用中，應(yīng)該通過(guò)電感或者電阻，將壓敏和tvs隔開(kāi)，起到分配電流的作用。

下面以常用電路為例進(jìn)行分析：

主要器件為SMCJ系列tvs，10d470壓敏電阻，與1.1A PTC，用來(lái)控制浪涌。其他器件用來(lái)進(jìn)行靜電和共模干擾的防護(hù)。

首先明確，TVS與MOV不可直接并聯(lián)，因此需考慮的就是如何讓TVS和MOV都能有效工作，起到保護(hù)作用。意味著在使用中，通過(guò)tvs的電流和tvs上的壓降不可超過(guò)其限度。多余的電流應(yīng)該有效通過(guò)MOV壓敏電阻泄放掉。

以1KV浪涌要求為例，此浪涌的開(kāi)路峰值電壓為1000V，短路峰值電流為500A。在防護(hù)中，只要我們有效泄放掉其電流，則tvs和mov可有效鉗制其電壓。

我們首先查表：

可以得知，SMCJ36CA的最大鉗制電壓為58.1V，瞬間最大脈沖電流為25.8A。我們對(duì)兩值分別取55V和25A，可以得到MOV上的泄放電流應(yīng)為500A-25A = 475A

從MOV數(shù)據(jù)手冊(cè)，根據(jù)其殘壓曲線查下表：

10d470的可用AC電壓為30V，因此我們查475A與30線的交匯點(diǎn)，可以得知此時(shí)MOV殘壓約為180V，因此用來(lái)隔開(kāi)MOV與tvs的電感或電阻上的壓降應(yīng)為180V-55V=125V，此時(shí)通過(guò)的電流約為25A，這要求其對(duì)于8/20us浪涌電流的阻抗≥5Ω，否則tvs上的電流會(huì)偏大。

鑒于我們的電源不允許串入大電阻，因此我們考慮電感，8us的時(shí)間內(nèi)，電流從0.1倍峰值上升到0.9倍峰值，電流變化率為25*0.8/8us，阻抗公式U = L * di/dt，

可得到L = Udt/di = 1258us/25A/0.8 = 50uh，預(yù)留余量，我們?cè)跍y(cè)試中采用了100uh，實(shí)際效果不錯(cuò)，可以耐2000V的浪涌沖擊。

用另一方法計(jì)算，浪涌主要是傳導(dǎo)干擾而非輻射干擾，頻率主要是幾十khz的成分，假設(shè)頻率中20k為主，Z=2πfL，L= Z/2πf = 5/6.28/20000= 40uH，與之前結(jié)果相近。

綜合以上，50Uh以上的電感，對(duì)浪涌分級(jí)控制有明顯效果。此處應(yīng)注意電感的過(guò)流能力要大、直流電阻要小，最好選用空心電感，避免磁飽和。