浪涌信號與防護方法

1　引言

浪涌是一種上升速度高、持續(xù)時間短的尖峰脈沖。其產生原因是多方面的，諸如：電網過壓、開關打火、虬源反向、靜電、電機/電源噪聲等。眾所周知,電子產品在使用中經常會遇到意外的電壓瞬變和浪涌,從而導致電子產品的損壞,損壞的原因是電子產品中的半導體器件(包括二極管、晶體管、可控硅和集成電路等)被燒毀或擊穿。據估計,電子產品的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無處不在,電網、雷擊、爆破,就連人在地毯上行走都會產生上萬伏的靜電感應電壓,這些,都是電子產品的隱形致命殺手。因此,為了提高電子產品的可靠性和人體自身的安全性,必須對電壓瞬變和浪涌采取防護措施。其方法之一是使整機和系統接地,整機和系統的地(公共端)和大地應分開,整機和系統中的每個子系統均應有獨立的公共端,在子系統之間需傳輸數據或信號時,應以大地為參考電平,接地線(面)必須能流過很大的電流,如幾百安培。第二種防護方法是在整機和系統中的關鍵部位(如電腦的顯示器等)采用電壓瞬變和浪涌的防護器件,使電壓瞬變和浪涌通過防護器件旁路到子系統地和大地,從而讓進入整機和系統中的瞬變電壓和浪涌幅度大大降低。第三種防護方法是對重要和昂貴的整機和系統采用幾個電壓瞬變和浪涌防護器件的組合形式,以構成多級防護電路。

2　對浪涌的防護方法

浪涌保護器為電子設備的電源浪涌防護提供了一種簡便、經濟、可靠的防護方法，通過防浪涌元件(MOV)，在雷擊感應及操作過電壓時，迅速將浪涌能量傳入大地，保護設備免遭損害。

(1)并聯型電涌保護器并聯于供電線路上

在正常情況下，防雷模塊內的壓敏電阻處于高阻狀態(tài)。電網遭受雷擊或開關操作出現瞬時浪涌過電壓時，防雷器在納秒級時間內響應，壓敏電阻呈低阻狀態(tài)，迅速將過電壓限制在一個很低的幅值內。

當線路中有較長時間的持續(xù)脈沖或持續(xù)過電壓，壓敏電阻器性能劣化而發(fā)熱到一定程度使熱脫機構脫扣，避免火災發(fā)生，從而保護設備。

(2)串聯濾波型電涌保護器串聯接入供電線路中

為貴重的電子設備提供安全、潔凈的電源，雷電波除了有巨大的能量外，還有極其陡峭的電壓及電流上升率。并聯型電涌保護器只能抑制雷電波的幅值，但無法改變其急劇上升的前沿。串聯濾波型電源電涌保護器串聯于供電線路上。在過電壓情況下MOV1、MOV2在納妙級時間內做出響應，將過電壓箝位;同時LC濾波器將雷電波陡峭的電壓，電流提升率降低近1000倍，殘壓降低5倍，從而保護敏感的用戶設備。

(3)在電源線的相間、線間安裝壓敏限幅型元件，以限制浪涌過電壓。

第一種方法對照明、電梯、空調、電機等耐沖擊電壓水平較高的電氣設備的防護效果比較好。但對于集成度高、結構緊湊的現代電子設備來說，實際防護效果就不那么令人滿意了。理由如下：

以單相220V交流電源的感應雷擊防護為例，常用方法在零、地線之間并上合適的壓敏型元件，以吸收限制感應雷擊產生的尖峰電壓。電源線路防雷效果的好壞完全取決于壓敏器件參數的選擇和壓敏器件工作的可靠性。壓敏限幅值的選擇是在市電的峰值310V的基礎上加上20%的電網波動影響、10%的器件分散性誤差和15%的因長期工作造成發(fā)熱、受潮、元件老化等可靠性因素補償，一般取值為470V～510V。感應雷擊等各種尖峰干擾電壓都被限制在470V。對于470V以下的電壓，壓敏器件不動作。普通低壓電器設備(機床、電梯、照明、空調等)的工頻耐壓值一般為交流1500V，而瞬間耐壓峰值可達2500V以上，所以470V的電壓是十分安全的。但大規(guī)模集成電路組成的現代電子設備的工作電壓一般為±5V～±15V之間，最高耐壓值一般不超過50V，所以疊加在市電上的小于470V的高頻尖峰電壓就會直接送入負載，通過空間耦合電容，變壓器層間、極間電容不成比例地傳到開關電源或集成電路芯片上，能造成故障。盡管高頻開關電源和電子設備都有相應的防尖峰干擾措施，但受成本和體積限制，再加上感應雷擊等尖峰干擾的強度、頻譜變化很大，所以防護效果不理想。這還是在壓敏限幅元件比較理想的情況下得出的效果，實際上由于壓敏元件殘壓和引線電感的影響，在較強感應雷擊下，可能會導致實際限幅電壓峰值升到800V～1000V以上，而使后級電子設備遭受威脅。

(4)加強對電子設備的防護效果，在電源與負載間串入超隔離變壓器(又稱隔離法)，以隔絕高頻尖峰干擾，同時又可使次級等電位聯接便于進行。

隔離法主要采用帶屏蔽層的隔離變壓器。由于共模干擾是一種相對大地的干擾，所以它主要通過變壓器繞組間的耦合電容來傳遞。如果在初、次級之間插入屏蔽層，并使之良好接地，便能使干擾電壓通過屏蔽層分路掉，從而減小輸出端的干擾電壓。理論上帶屏蔽層的變壓器能使衰減量達到60dB左右。但隔離效果的好壞，往往取決于屏蔽層的工藝。最好選用 0.2 mm厚的紫銅板材，原邊、副邊各加一個屏蔽層。通常，原邊的屏蔽層通過一個電容器與副邊的屏蔽層接到一起，再接到副邊的地上。也可以原邊的屏蔽層接原邊的地線，副邊的屏蔽層接到邊的地線。并且接地引線的截面積也要大一些好。采用帶屏蔽層的隔離變壓器，是個好方法，只是體積較大。

這種方法因變壓器功能過于單一，相對體積、重量大，安裝不甚方便，對中、低頻尖峰和浪涌防護效果不好，因此市場有限，生產廠家也不多。所以非特殊場合一般都不用。

(5)吸收法

吸收法主要采用吸波器件將浪涌尖峰干擾電壓吸收掉。吸波器件都有共同的特點，即在閾值電壓以下呈現高阻抗，而一旦超過閾值電壓，則阻抗便急劇下降，因此對尖峰電壓有一定的抑制作用。這類吸波器件主要有壓敏電阻、氣體放電管、TVS管、固體放電管等。不同的吸波器件對尖峰電壓的抑制也有各自的局限性.如壓敏電阻的電流吸收能力不夠大;氣體放大電管的響應速度較慢。

TVS(Transient Voltage Suppressor)是一種新型高效的吸收電源進線上尖峰脈沖的器件。TVS又稱TVP，中文譯作瞬變電壓抑制器，事實上是一種特殊的穩(wěn)壓二極管。當它的兩端經受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度把兩端問的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收～個瞬間大電流，從而把它的兩端電壓鉗制在一個預定的數值上，保護了后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因為如此，其防雷效果也很好。TVS管和穩(wěn)壓管一樣，是反向應用的。與穩(wěn)壓管不同的是，TVS管可以承受的最大峰值電流甚至可高達數百安培，最大脈沖功率可以達到5000W，鉗位響應時間僅為10-12，圖1是TVS用于普通電源進線的原理圖。這里采用的是雙向TVS管，它對于電網的尖峰脈沖電壓和雷電疊加電壓等都能有效的吸收。TVS的用途很多，它還可用作防雷以及各種大功率器件的保護和吸收電路。