一文看雷击浪涌的防护解析

芯片之家 2021-06-28 12:15

芯片现货市场行情分析 多物理场仿真在半导体制程中的应用

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1、电子设备雷击浪涌抗扰度试验标准

电子设备雷击浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.5（等同于国际标准IEC61000-4-5 ）。

标准主要是模拟间接雷击产生的各种情况：

（1）雷电击中外部线路，有大量电流流入外部线路或接地电阻，因而产生的干扰电压。

（2）间接雷击（如云层间或云层内的雷击）在外部线路上感应出电压和电流。

（3）雷电击中线路邻近物体，在其周围建立的强大电磁场，在外部线路上感应出电压。

（4）雷电击中邻近地面，地电流通过公共接地系统时所引进的干扰。

标准除了模拟雷击外，还模拟变电所等场合，因开关动作而引进的干扰（开关切换时引起电压瞬变），如：

（1）主电源系统切换时产生的干扰（如电容器组的切换）。

（2）同一电网，在靠近设备附近的一些较小开关跳动时的干扰。

（3）切换伴有谐振线路的晶闸管设备。

（4）各种系统性的故障，如设备接地网络或接地系统间的短路和飞弧故障。

标准描述了两种不同的波形发生器：

一种是雷击在电源线上感应生产的波形；

另一种是在通信线路上感应产生的波形。

这两种线路都属于空架线，但线路的阻抗各不相同：在电源线上感应产生的浪涌波形比较窄一些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信线上感应产生的浪涌波形比较宽一些，但前沿要缓一些。后面我们主要以雷击在电源线上感应生产的波形来对电路进行分析，同时也对通信线路的防雷技术进行简单介绍。

2、模拟雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理

上图是模拟雷电击到配电设备时，在输电线路中感应产生的浪涌电压，或雷电落地后雷电流通过公共地电阻产生的反击高压，的脉冲产生电路。4kV时的单脉冲能量为100焦耳。

图中Cs是储能电容（大约为10uF，相当于雷云电容）；

Us为高压电源；

Rc为充电电阻；

Rs为脉冲持续时间形成电阻（放电曲线形成电阻）；

Rm为阻抗匹配电阻Ls为电流上升形成电感。

雷击浪涌抗扰度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不同，稍有改动。

基本参数要求：

（1）开路输出电压：0.5～6kV，分5等级输出，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，供不同等级试验用;

（3）内阻：2 欧姆，附加电阻10、12、40、42欧姆，供其它不同等级试验用；

（4）浪涌输出极性：正/负；浪涌输出与电源同步时，移相0～360度；

（5）重复频率：至少每分钟一次。

雷击浪涌抗扰度试验的严酷等级分为5级:

1级：较好保护的环境；

2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：受严重骚扰的环境，如民用空架线、未加保护的高压变电所。

X级：由用户与制造商协商确定。

图中18uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也可不同，但大到一定值之后，基本上就没有太大意义。

10欧姆电阻以及9uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也不同，电阻最小值可选为0欧姆（美国标准就是这样）， 9uF电容也可以选得很大，但大到一定值之后，基本上就没有太大意义。

3、共模浪涌抑制电路

防浪涌设计时，假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而，这两部分并非真正独立，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。
　　

为了利用差模电感，在设计过程中，共模与差模不应同时进行，而应该按照一定的顺序来做。首先，应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络（Differential Mode Rejection Network），可以将差模成分消除，因此就可以直接测量共模噪声了。如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围，那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以下，因此超标的仅是差模成分，可用共模滤波器的差模漏感来衰减。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，因为差模辐射的源阻抗较小，因此只有极少量的电感是有效的。

对4000Vp以下的浪涌电压进行抑制，一般只需采用LC电路进行限流和平滑滤波，把脉冲信号尽量压低到2~3倍脉冲信号平均值的水平即可。由于L1、L2有50周电网电流流过，电感很容易饱和，因此，L1、L2一般都采用一种漏感很大的共模电感。

用在交流，直流的都有，通常我们在电源EMI滤波器，开关电源中常见到，而直流侧少见，在汽车电子中能够看到用在直流侧。

加入共模电感是为了消除并行线路上的共模干扰（有两线的，也有多线的）。由于电路上两线阻抗的不平衡，共模干扰最终体现在差模上。用差模滤波方法很难滤除。

共模电感到底需要用在哪。共模干扰通常是电磁辐射，空间耦合过来的，那么无论是交流还是直流，你有长线传输，就涉及到共模滤波就得加共模电感。例如：USB线好多就在线上加磁环。开关电源入口，交流电是远距离传输过来的，就需要加。通常直流侧不需要远传就不需要加了。没有共模干扰，加了就是浪费，对电路没有增益。

电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈，与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高，而且体积又小，设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感，也就是差模电感。通常，计算漏感的办法是假定它为共模电感的1%，实际上漏感为共模电感的0.5% ～4%之间。在设计最优性能的扼流圈时，这个误差的影响可能是不容忽视的。

漏感的重要性
漏感是如何形成的呢？紧密绕制，且绕满一周的环形线圈，即使没有磁芯，其所有磁通都集中在线圈“芯”内。但是，如果环形线圈没有绕满一周，或者绕制不紧密，那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组，这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反，从而使磁场为0。如果为了安全起见，芯体上的线圈不是双线绕制，这样两个绕组之间就有相当大的间隙，自然就引起磁通“泄漏”，这即是说，磁场在所关心的各个点上并非真正为0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上，与差模有关的磁通必须在某点上离开芯体，换句话说，磁通在芯体外部形成闭合回路，而不仅仅只局限在环形芯体内。

一般CX电容可承受4000Vp的差模浪涌电压冲击，CY电容可承受5000Vp的共模电压冲击。正确选择L1、L2和CX2、CY参数的大小，就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌电压。但如果两个CY电容是安装在整机线路之中，其总容量不能超过5000P，如要抑制浪涌电压超过4000Vp，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。

所谓抑制，只不过是把尖峰脉冲的幅度降低了一些，然后把其转换成另一个脉冲宽度相对比较宽，幅度较为平坦的波形输出，但其能量基本没有改变。

两个CY电容的容量一般都很小，存储的能量有限，其对共模抑制的作用并不很大，因此，对共模浪涌抑制主要靠电感L1和L2，但由于L1、L2的电感量也受到体积和成本的限制，一般也难以做得很大，所以上面电路对雷电共模浪涌电压抑制作用很有限。

图（a）中L1与CY1、 L2与CY2，分别对两路共模浪涌电压进行抑制，计算时只需计算其中一路即可。Ø对L1进行精确计算，须要求解一组2阶微分方程，结果表明：电容充电是按正弦曲线进行，放电是按余弦曲线进行。但此计算方法比较复杂，这里采用比较简单的方法。

假说，共模信号是一个幅度为Up、宽度为τ的方波，以及CY电容两端的电压为Uc，测流过电感的电流为一宽度等于2τ的锯齿波：

流过电感的电流为：

流过电感的最大电流为：

在2τ期间流过电感的平均电流为：

由此可以求得CY电容在2τ期间的电压变化量为：

上面公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的计算公式，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电容两端的电压变化量，但由于雷电脉冲的周期很长，占空比很小，可以认为Uc = ∆Uc，Up为共模浪涌脉冲的峰值，q为CY电容存储的电荷，τ为共模浪涌脉冲的宽度，L为电感，C为电容。

根据上面公式，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，则需要电感L的数值为1H。显然这个数值非常大，在实际中很难实现，所以上面电路对雷电共模抑制的能力很有限，此电路还需进一步改进。

差模浪涌电压抑制，主要是靠图中的滤波电感L1、L2 ，和滤波电容CX ，L1、L2滤波电感和CX滤波电容等参数的选择，同样可以用下面公式来进行计算。

但上式中的L应该等于L1和L2两个滤波电感之和，C=CX，Uc等于差模抑制输出电压。一般，差模抑制输出电压应不大于600Vp，因为很多半导体器件和电容的最大耐压都在此电压附近，并且，经过L1和L2两个滤波电感以及CX电容滤波之后，雷电差模浪涌电压的幅度虽然降低了，但能量基本上没有降低，因为经过滤波之后，脉冲宽度会增加，一旦器件被击穿，大部分都无法恢复到原来的状态。

根据上面公式，假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，脉冲宽度为50uS，差模浪涌抑制电路的输出电压Uc=600Vp，则需要LC的数值为14mH×uF。显然，这个数值对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。

实例2

增加了两个压敏电阻VR1、VR2和一个放电管G3，主要目的是加强对共模浪涌电压的抑制，由于压敏电阻有漏电流，而一般电子产品都对漏电流要求很严格（小于0.7mAp），所以图中加了一个放电管G3，使平时电路对地的漏电流等于0。G3的击穿电压要远小于G1、G2的击穿电压，采用G3对漏电隔离后，压敏电阻VR1或VR2的击穿电压可相应选得比较低，VR1、VR2对差模浪涌电压也有很强的抑制作用。

实例3