EMC-详解雷击浪涌的防护

时间：2022-10-11 19:00:01 电容器两端的电压变化率dv emc环形共模电感电阻4000 等级共模电感双线大功率电感器共模电感t10

1.电子设备雷击浪涌抗扰试验标准

电子设备雷击浪涌抗扰试验的国家标准是GB/T17626.5.相当于国际标准IEC61000-4-5 ）。

标准主要是模拟间接雷击的各种情况：

(1)雷电击中外线，大量电流流入外线或接地电阻，导致干扰电压。

(2)间接雷击(如云层间或云层内的雷击)在外线上感应电压和电流。

(3)雷电击中线路附近的物体，周围建立的强大电磁场在外线上感应电压。

(4)当地电流通过公共接地系统共接地系统引入地电流的干扰。

除模拟雷击外，标准还模拟变电站等场合因开关动作引入的干扰(开关开关时电压瞬变)，如:

(1)主电源系统开关时产生的干扰(如电容器组开关)。

(2)在设备附近跳动一些小开关时，同一电网的干扰。

(3)用谐振线切换晶闸管设备。

(4)设备接地网络或接地系统之间的短路和飞弧故障等各种系统性故障。

标准描述了两种不同的波形发生器：一种是电源线上雷击感应产生的波形；另一种是通信线路上感应产生的波形。

这两条线都属于空架线，但线路阻抗不同：电源线上感应产生的浪涌波形较窄（50uS），前沿要陡(1.2uS）；在通信线感应产生的浪涌波形较宽，但前沿较慢。后来，我们主要分析了电路上雷击感应产生的波形，并简要介绍了通信线路的防雷技术。

2.模拟雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理

上图显示了传输线路中感应到的浪涌电压，或雷电着陆后通过公共电阻产生的反击高压脉冲产生的电路。kV单脉冲能量为100焦耳。

图中Cs储能电容(约10)uF，相当于雷云电容)；Us高压电源；Rc充电电阻；Rs脉冲连续时间形成电阻(放电曲线形成电阻)；Rm匹配匹配电阻Ls为电流上升形成电感。

雷击浪涌抗扰试验对不同产品有不同的参数要求，上图中的参数可根据产品标准要求稍有变化。
基本参数要求：

(1)开路输出电压:0.5～6kV，输出分为5级，最后一级由用户与制造商协商确定；

(2)短路输出电流:0.25～2kA，不同等级的试验；

（3）内阻：2 附加电阻为10、12、40、42欧姆的欧姆，用于其他不同等级的试验；

(4)浪涌输出极性:正/负；当浪涌输出与电源同步时，移相0~360度；

(5)重复频率:每分钟至少一次。

雷击浪涌抗扰试验的严酷等级分为5级：

一级：环境保护较好；

二级：有一定保护的环境；

3级：普通的电磁骚扰环境、对设备未规定特殊安装要求，如工业性的工作场所；

4级：民用空架线、未受保护的高压变电站等受严重骚扰的环境。

X级别：由用户与制造商协商确定。

图中18uF根据不同的严酷等级，电容器可以选择不同的值，但大到一定值后，基本意义不大。

10欧姆电阻和9uF根据严酷的等级，电容可以选择不同的值，最小电阻值可以选择0欧姆(这是美国的标准)， 9uF电容器也可以选择很大，但大到一定值后，基本没有太大意义。

在防浪涌设计中，假设共模和差模是独立的。然而，这两部分并不是真正独立的，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可以通过分离差模电感来模拟。
为了使用差模电感，在设计过程中，共模和差模不应同时进行，而应按一定的顺序进行。首先，测量共模噪声并过滤掉它。使用差模抑制网络（Differential Mode Rejection Network），可消除差模成分，因此可直接测量共模噪声。
如果设计的共模滤波器应同时使差模噪声不超过允许范围，则应测量共模和差模的混合噪声。由于已知共模成分低于噪声容量，因此只有差模成分超过标准，共模滤波器的差模泄漏感可以用来衰减。对于低功率电源系统，共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题。由于差模辐射的源阻抗较小，只有少量电感有效。

对4000Vp抑制以下浪涌电压，一般只需使用LC限流和平滑过滤电路，尽量将脉冲信号降低到2~脉冲信号平均值为3倍。电感容易饱和，所以，L1、L一般采用漏感大的共模电感。

通常我们在电源中使用交流和直流EMI滤波器常见于开关电源，而直流侧很少见，可用于汽车电子中的直流侧。

添加共模电感是为了消除平行线上的共模干扰（有两条线和多条线）。由于电路上两条线路阻抗的不平衡，共模干扰最终反映在差模上。很难用差模滤波器过滤。

共模电感器需要在哪里使用。共模干扰通常是电磁辐射和空间耦合，因此无论是交流还是直流，如果您有长期传输，则必须添加共模电感。USB很多线在线加磁环。开关电源入口，如果交流电是远距离传输，则需要添加。通常，直流侧不需要远程传输，也不需要添加。没有共模干扰，添加是浪费，对电路没有好处。

电源滤波器的设计通常可以从共模和差模两个方面考虑。共模滤波器最重要的部分是共模扼流圈。与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显著优点是电感值高，体积小。设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是漏感，即差模电感。通常，计算漏感的方法是假设它是共模电感的1%，实际上是共模电感的0.5% ～4%之间。这种误差的影响在设计最佳性能的扼流圈时可能不容忽视。

漏感的重要性

泄漏是如何形成的？即使没有磁芯，所有的磁通量都集中在线圈的芯中。但是，如果环线圈没有绕过一周，或者绕过不紧，磁通量就会从芯中泄漏。这种效应与匝间的相对距离与螺旋管芯的磁导率成正比。

共模扼流圈有两个绕组，设计成沿线圈芯传导相反的方向，使磁场为0。为了安全起见，芯上的线圈不是双线绕组，所以两个绕组之间有相当大的间隙，这自然会导致磁通量的泄漏。也就是说，磁场并不是真的0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上，与模具差异有关的磁通必须在某一点上离开芯，换句话说，磁通在芯外形成一个闭合回路，而不仅仅局限于环芯。

一般CX电容可承受4000Vp差模浪涌电压冲击，CY电容可承受5000Vp共模电压冲击。正确选择L1、L2和CX2、CY可数的大小可以抑制4万Vp以下的共模和差模浪涌电压。但如果两个CY电容器安装在整机线路上，总容量不得超过5万P，如果浪涌电压超过4000，Vp，还需选用耐压更高的电容器，以及带限幅功能的浪涌抑制电路。

所谓的抑制只是降低了尖峰脉冲的范围，然后将其转换为另一个脉冲宽度相对较宽、相对平坦的波形输出，但其能量基本上没有改变。

两个CY电容量一般很小，储存能量有限，对共模抑制作用不大。因此，主要依靠电感抑制共模浪涌L1和L2，但由于L1、L2的电感也受体积和成本的限制，一般很难做到很大，因此上述电路对雷电共模浪涌电压的抑制作用非常有限。

图（a）中L1与CY1、 L2与CY二、分别抑制两路共模浪涌电压，计算时只需计算一路。L1.为了准确计算，需要解决一组2阶微分方程。结果表明，电容充电按正弦曲线进行，放电按余弦曲线进行。但这种计算方法比较复杂，这里采用了比较简单的方法。

共模信号是一个范围Up、宽度为τ方波，还有CY电容器两端的电压为Uc，测流过电感的电流宽度等于2τ的锯齿波：

流过电感的电流为：

流过电感的最大电流是：

在2τ流过电感的平均电流为：

可以得到CY电容在2τ期间的电压变化为：

上述公式是计算共模浪涌抑制电路中的电感L和电容CY在公式中，Uc为CY电容两端的电压，也是浪涌抑制电路的输出电压，?Uc为CY电容器两端的电压变化，但由于雷电脉冲周期长，占空比小，可以认为Uc = ?Uc，Up是共模浪涌脉冲的峰值，q为CY储存电容的电荷，τ共模浪涌脉冲的宽度，L为电感，C为电容。

根据上述公式，假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，电容C=2500p，浪涌抑制电路的输出电压Uc=2000Vp，电感L的值为1H。显然，这个值很大，实际上很难实现，因此上述电路抑制雷电共模的能力非常有限，需要进一步改进。

差模浪涌电压抑制主要依靠图中的滤波电感L1、L2 ，和滤波电容CX ，L1、L2滤波电感和CX也可以用以下公式计算滤波电容等参数的选择。

但上面的L应该等于L1和L两个滤波电感之和，C=CX，Uc等于差模抑制输出电压。差模抑制输出电压一般不大于600Vp，由于许多半导体器件和电容器的最大耐压性都在这个电压附近，而且经过L1和L两个滤波电感和CX电容过滤后，虽然雷差模浪涌电压降低，但能量基本没有降低，因为过滤后脉冲宽度会增加。一旦设备被击穿，大多数设备就无法恢复到原来的状态。

根据上述公式，假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，脉冲宽度为50uS，差模浪涌抑制电路输出电压Uc=600Vp，则需要LC的数值为14mH×uF。显然，这个值于一般电子产品的浪涌抑制电路来说还是比较大的，相比之下，增加电感量要比增加电容量更有利，因此最好选用一种有3个窗口、用矽钢片作铁芯，电感量相对较大（大于20mH）的电感作为浪涌电感，这种电感共模和差模电感量都很大，并且不容易饱和。顺便指出，整流电路后面的电解滤波电容，同样也具有抑制浪涌脉冲的功能，如果把此功能也算上，其输出电压Uc就不能选600Vp，而只能选为电容器的最高耐压Ur（400Vp）。

4、雷击浪涌脉冲电压抑制常用器件

避雷器件主要有陶瓷气体放电管、氧化锌压敏电阻、半导体闸流管（TVS）、浪涌抑制电感线圈、X类浪涌抑制电容等，各种器件要组合使用。

气体放电管的种类很多，放电电流一般都很大，可达数十kA，放电电压比较高，放电管从点火到放电需要一定的时间，并且存在残存电压，性能不太稳定；氧化鋅压敏电阻伏安特性比较好，但受功率的限制，电流相对比放电管小，多次被雷电过流击穿后，击穿电压值会下降，甚至会失效；

半导体TVS管伏安特性最好，但功率一般都很小，成本比较高；浪涌抑制线圈是最基本的防雷器件，为防流过电网交流电饱和，必须选用三窗口铁芯；X电容也是必须的，要选用容许纹波电流较大的电容。

气体放电管

气体放电管指作过电压保护用的避雷管或天线开关管一类，管内有二个或多个电极，充有一定量的惰性气体。气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它用在通信系统的防雷保护。

放电管的工作原理是气体间隙放电i当放电管两极之间施加一定电压时，便在极间产生不均匀电场：在此电场作用下，管内气体开始游离，当外加电压增大到使极间场强超过气体的绝缘强度时，两极之间的间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平，这种残压一般很低，从而使得与放电管并联的电子设备免受过电压的损坏。

气体放电管有的是以玻璃作为管子的封装外壳．也有的用陶瓷作为封装外壳，放电管内充入电气性能稳定的惰性气体（如氩气和氖气等），常用放电管的放电电极一般为两个、三个，电极之间由惰性气体隔开。按电极个数的设置来划分，放电管可分为二极、三极放电管。

陶瓷二极放电管由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。管内放电电极上涂覆有放射性氧化物，管体内壁也涂覆有放射性元素，用于改善放电特性。

放电电极主要有杆形和杯形两种结构，在杆形电极的放电管中，电极与管体壁之间还要加装一个圆筒热屏，该热屏可以使陶瓷管体受热趋于均匀，不致出现局部过热而引起管断裂。热屏内也涂覆放射性氧化物，以进一步减小放电分散性。在杯形电极的放电管中，杯口处装有钼网，杯内装有铯元素，其作用也是减小放电分散性。

三极放电管也是由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等部件构成。与二极放电管不同，在三极放电管中增加了镍铬钴合金圆筒，作为第三极，即接地电极。

主要参数：

（1）直流击穿电压。此值由施加一个低上升速率（dv/dt=100V/s）的电压值来决定。

（2）冲击（或浪涌）击穿电压。它代表放电管的动态特性，常用上升速率为dv/dt=1kV/us的电压值来决定。

（3）标称冲击放电电流。8/20us波形（前沿8us，半峰持续时间20us）的额定放电电流，通常放电10次。

（4）标准放电电流。通过50Hz交流电流的额定有效值，规定每次放电的时间为1s，放电10次。

（5）最大单次冲击放电电流。对8/20us电流波的单次最大放电电流。

（6）耐工频电流值。对8/20us电流波的单次最大放电电流。对50Hz交流电，能经受连续9个周波的最大电流的有效值。

（7）绝缘电阻。对8/20us电流波的单次最大放电电流。对50Hz交流电，能经受连续9个周波的最大电流的有效值。

（8）电容。放电管电极间的电容，一般在2～10pF之间，是所有瞬变干扰吸收器件中最小的。

金属氧化物压敏电阻

压敏电阻一般都是以氧化锌为主要成分，另加少量的其它金属氧化物（颗粒），如：鈷、猛、铋等压制而成。由于两种不同性质的物体组合在一起，相当于一个PN结（二极管），因此，压敏电阻相当于众多的PN结串、并联组成。

5、超高浪涌电压抑制电路

实例1

上图是一个可抗击较强雷电浪涌脉冲电压的电原理图，图中：G1、G2为气体放电管，主要用于对高压共模浪涌脉冲抑制，对高压差模浪涌脉冲也同样具有抑制能力；VR为压敏电阻，主要用于对高压差模浪涌脉冲抑制。经过G1、G2和VR抑制后，共模和差模浪涌脉冲的幅度和能量均大幅度降低。

G1、G2的击穿电压可选1000Vp~3000Vp，VR的压敏电压一般取工频电压最大值的1.7倍。

G1、G2击穿后会产生后续电流，一定要加保险丝以防后续电流过大使线路短路。

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