電源浪涌保護(hù)的基礎(chǔ)知識(shí)

電源浪涌問(wèn)題

電壓浪涌是許多市電供電設(shè)備所面臨的問(wèn)題。若沒(méi)有針對(duì)預(yù)期環(huán)境而正確設(shè)計(jì)，浪涌可能會(huì)損壞電源及其供電的設(shè)備。本文將確定電壓浪涌的原因，使您熟悉浪涌測(cè)試監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，并展示浪涌抑制設(shè)計(jì)和組件，由此對(duì)浪涌保護(hù)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行討論。

浪涌有三項(xiàng)主要原因：

雷擊

負(fù)載瞬態(tài)

故障

雷擊是外部浪涌瞬變的常見(jiàn)來(lái)源，會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)高于大多數(shù)電子系統(tǒng)額定值的電流和電壓。這些電壓浪涌通常很大，在未應(yīng)用適當(dāng)級(jí)別保護(hù)的情況下足以導(dǎo)致電子設(shè)備立刻發(fā)生故障。

打開(kāi)或關(guān)閉電路中的其他設(shè)備時(shí)，也會(huì)引起交流供電線路上的浪涌。電機(jī)或電容器組等無(wú)功負(fù)載在建立其電場(chǎng)和磁場(chǎng)之前類(lèi)似于短路。關(guān)閉時(shí)，這些場(chǎng)中儲(chǔ)存的能量也會(huì)快速流入到系統(tǒng)中。在這兩種情況下，高而快的瞬態(tài)電流會(huì)帶來(lái)電壓尖峰，并導(dǎo)致未受保護(hù)的設(shè)備發(fā)生故障。

故障也可能會(huì)產(chǎn)生浪涌，導(dǎo)致對(duì)電源輸入端施加過(guò)大的電壓。若系統(tǒng)組件和設(shè)備發(fā)生故障，可能導(dǎo)致系統(tǒng)其他部分因電路發(fā)生意外短路或開(kāi)路而產(chǎn)生瞬態(tài)電壓和電流。

電源輸入端浪涌電壓的強(qiáng)度和幅值取決于許多因素，包括位置、布線以及在電源輸入端（無(wú)論是內(nèi)部還是外部）施加的浪涌保護(hù)水平。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義保護(hù)水平

已制訂標(biāo)準(zhǔn)，以便對(duì)所需的保護(hù)水平進(jìn)行分類(lèi)并提供指導(dǎo)。最常用的電源標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電工委員會(huì)制訂的 IEC 61000-4-5。許多國(guó)家的抗干擾標(biāo)準(zhǔn)中都對(duì)其進(jìn)行了引用，例如 EN 55035，其規(guī)定了多媒體設(shè)備的抗干擾要求。

IEC61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安裝類(lèi)別和耦合方法定義了標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法以及不同級(jí)別的保護(hù)。直流電源通常與安裝類(lèi)別 3-5 有關(guān)，測(cè)試要求為 1kV 至 4kV（表 1）。

表1：連接到市電的交流和直流電源的 IEC 61000-4-5 浪涌測(cè)試電壓

浪涌抑制電路和設(shè)備

若要保護(hù)電源及其負(fù)載免受浪涌影響，通常需要使用某種形式的內(nèi)部或外部浪涌保護(hù)電路。浪涌保護(hù)電路主要分為兩類(lèi)：

箝位

消弧

浪涌箝制

電壓箝位電路可防止電壓超過(guò)所選的箝位電壓。在發(fā)生浪涌期間，電壓將保持在箝位電壓，通過(guò)箝位電路將電流分流，直到浪涌通過(guò)為止。通常用作箝位電路的兩種設(shè)備是瞬態(tài)電壓抑制二極管 (TVS) 和金屬氧化物變阻器 (MOV)。每種設(shè)備的速度和能量處理能力呈反比，如表 2 所示，可能需要對(duì)箝位電路類(lèi)型進(jìn)行組合。

表2：典型浪涌保護(hù)組件和特性

瞬態(tài)抑制二極管

TVS 是二極管，旨在吸收電壓尖峰的多余能量，從而對(duì)電壓進(jìn)行箝制。它們可以是單向的，也可以是雙向的。這些二極管具有類(lèi)似于齊納二極管的拐點(diǎn)電壓，在高于拐點(diǎn)電壓時(shí)，二極管將開(kāi)始導(dǎo)通。這將導(dǎo)致電壓被箝制在拐點(diǎn)電壓，并且會(huì)從電源分流多余的能量。

變阻器箝位

雙向半導(dǎo)體金屬氧化物變阻器 (MOV) 是壓敏變阻器。MOV 在低電壓下具有高電阻，在高電壓下具有低電阻。它會(huì)提供較柔和的箝位電壓，反應(yīng)速度慢于 TVS 二極管。MOV 也會(huì)磨損，只能處理有限數(shù)量的浪涌事件。不過(guò)，憑借低成本和浪涌處理能力，它們通常用于電源中的浪涌保護(hù)。

圖2：MOV 原理圖符號(hào)（左）和電壓-電流關(guān)系（右）

撬棒電路

撬棒電路是一種不同類(lèi)型的浪涌保護(hù)電路。撬棒設(shè)備不是將電壓限制在最大值，而是使電路節(jié)點(diǎn)短接，使電壓接近零。氣體放電管 (GDT) 通常用作撬棒設(shè)備。GDT 與 TVS 類(lèi)似，可充當(dāng)電壓相關(guān)開(kāi)關(guān)。此設(shè)備正常情況下為開(kāi)路，超過(guò)電壓閾值時(shí)將短路。GDT 可以處理較大的電流，但往往是反應(yīng)最慢的浪涌保護(hù)設(shè)備。電源有時(shí)會(huì)將其與其他方法結(jié)合使用，以獲得更強(qiáng)大的解決方案。

圖3：GDT 與 TVS 及 MOV 搭配使用以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大浪涌抑制電路的示例

現(xiàn)成電源的抗浪涌干擾

現(xiàn)成的電源可能包含，也可能不包含內(nèi)部浪涌保護(hù)。板上安裝電源會(huì)提供從無(wú)內(nèi)部保護(hù)到最高保護(hù)等級(jí)等各種選項(xiàng)。通常，制造商會(huì)提供參考設(shè)計(jì)以提高固有的性能水平。設(shè)計(jì)人員需要注意數(shù)據(jù)表，以查看制造商的外部電路是否符合應(yīng)用的相應(yīng)性能水平。

圖4：建議使用 EMC 電路，以滿足更高的浪涌要求

浪涌預(yù)測(cè)和系統(tǒng)評(píng)估

電壓浪涌的性質(zhì)是，任何單一浪涌都完全不可預(yù)測(cè)。也就是說(shuō)，仍然可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，預(yù)測(cè)它可能受到的浪涌類(lèi)型，并建議適當(dāng)程度的浪涌保護(hù)。相應(yīng)的保護(hù)水平可能會(huì)有所不同?？梢灶A(yù)見(jiàn)到一些系統(tǒng)會(huì)經(jīng)歷大部分常見(jiàn)且相對(duì)容易處理的過(guò)壓。例如，附近其他設(shè)備的打開(kāi)和關(guān)閉。另一種極端情況可能是系統(tǒng)位于存在大量雷電活動(dòng)的地區(qū)。在這種情況下，可能會(huì)建議采取保護(hù)措施以應(yīng)對(duì)更嚴(yán)重的尖峰。

審核編輯：湯梓紅