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浪涌包括浪涌電流、浪涌電壓,它是指電路中瞬間出現超過(guò)正常工作電壓、電流的現象。電子設備容易在雷電過(guò)電壓、落雷引發(fā)出的誘導雷浪涌,還有電源系統開(kāi)關(guān)切換引起的浪涌,這些浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓和過(guò)流,會(huì )導致電子設備癱瘓,給用戶(hù)造成損失。下面解析下幾種浪涌防護方案。
1、整機和系統接地。整機和系統的地(公共端子)應與大地分開(kāi)。整機和系統中的每個(gè)子系統都應該有獨立的公共終端。當數據或信號在子系統之間傳輸時(shí),應以大地為參考電平。接地線(xiàn)(面)必須能流過(guò)大電流,例如幾百安培。
2、整機和系統的關(guān)鍵部分(如顯示器等)使用電壓瞬變和浪涌防護器件。使得電壓瞬變和浪涌通過(guò)防護器件旁路到子系統地和大地,從而大大降低進(jìn)入整機和系統的瞬變電壓和浪涌幅度。
3、重要且昂貴的設備和系統,可以組合幾個(gè)電壓瞬變和浪涌防護器件,以形成多級保護電路。浪涌保護器為電子設備的電源模塊浪涌防護提供了一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟、可靠的防護方案,通過(guò)防浪涌元件(MOV),當雷擊感應和操作過(guò)電壓時(shí),迅速將浪涌傳入大地,從而保護設備免受損壞。
浪涌的防護方案:
1.并聯(lián)型浪涌保護元件與供電線(xiàn)并聯(lián)。正常情況下,防雷模塊中的壓敏電阻處于高阻狀態(tài)。當電網(wǎng)被雷擊或在開(kāi)關(guān)操作期間發(fā)生瞬時(shí)浪涌過(guò)電壓時(shí),防雷器在納秒時(shí)間內做出響應,壓敏電阻呈低阻狀態(tài),迅速將過(guò)電壓限制在非常低的幅度。當線(xiàn)路長(cháng)時(shí)間存在連續脈沖或持續過(guò)電壓時(shí),壓敏電阻的性能會(huì )惡化發(fā)熱,到達一定程度使熱脫扣機構脫扣,避免火災,保護設備。
2.串聯(lián)濾波型浪涌保護元件串聯(lián)接入供電線(xiàn)路,為電子設備提供安全、潔凈的電源模塊。雷電波有巨大的能源和陡峭的電壓和電流上升率,并聯(lián)型浪涌防護元件只能抑制雷電波的幅度,但不能改變其急劇上升的前沿。串聯(lián)濾波型電源浪涌保護元件串聯(lián)到電源線(xiàn),在過(guò)壓情況下,MOV1和MOV2在納米時(shí)間內響應,將過(guò)壓箝位。同時(shí)LC濾波器可將雷電波的陡電壓和電流提升率降低近1000倍,剩余電壓降低5倍,從而保護敏感用戶(hù)設備。
3.壓敏元件安裝在電源的相間、線(xiàn)間,以限制浪涌過(guò)電壓。第一種方案對照明、電梯、空調、電機等耐沖擊電壓等級較高的電氣設備有較好的保護效果。但對于集成度高、結構緊湊的現代電子設備,實(shí)際保護效果并不理想。原因如下:以單相220伏交流電源的感應防雷為例,常用的方案是在零線(xiàn)和地線(xiàn)之間安裝合適的壓敏元件來(lái)吸收和限制感應雷擊產(chǎn)生的峰值電壓,電源線(xiàn)路的防雷效果完全取決于壓敏元件參數的選擇和壓敏元件的可靠性。
壓敏極限值的選擇基于310伏市電峰值,外加20%的電網(wǎng)波動(dòng)影響、10%的器件分散誤差和15%的長(cháng)期運行引起的發(fā)熱、潮濕和元件老化等可靠性因素。一般來(lái)說(shuō)取值為470伏~ 510伏,雷擊等類(lèi)型的尖峰干擾電壓都被限制在470伏。對于低于470伏的電壓,壓敏元件不工作。普通低壓電氣設備(機床、電梯、照明、空調等)的工頻耐壓值一般為交流1500伏,瞬時(shí)耐壓峰值可達2500伏以上,所以470伏的電壓非常安全。
大規模集成電路組成的現代電子設備的工作電壓一般在5 V至15 V之間,最大耐受電壓一般不超過(guò)50 V。因此,疊加在市電上的小于470伏的高頻尖峰電壓將直接送到負載,通過(guò)空間耦合電容、變壓器層間、極間電容不成比例地傳到電源模塊或集成電路芯片,這可能導致故障。雖然電源模塊和電子設備都有相應的抗尖峰干擾措施,但由于成本和體積的限制,加上雷擊等尖峰干擾的強度和頻譜差異很大,防護效果并不理想。
4.加強電子設備的防護效果,在電源和負載之間串聯(lián)超隔離變壓器,也稱(chēng)隔離法,隔絕高頻尖峰干擾,同時(shí)可使次級等電位連接進(jìn)行。隔離方案主要采用帶屏蔽層的隔離變壓器,因為共模干擾是一種相對大地干擾,它主要是通過(guò)變壓器繞組之間的耦合電容傳遞的。如果屏蔽層插在初級和次級之間,并且接地良好,則可以通過(guò)屏蔽層分路掉干擾電壓,從而降低輸出端的干擾電壓,理論上帶屏蔽層的變壓器可以使衰減量達到60dB左右。
5.吸收法,主要利用吸波元件吸收浪涌尖峰干擾電壓。吸波元件有一個(gè)共同的特點(diǎn),即它們在閾值電壓以下呈現高阻抗,一旦超過(guò)閾值電壓,阻抗就會(huì )急劇下降,從而在一定程度上抑制了峰值電壓。吸波元件包括壓敏電阻、氣體放電管、TVS管、固體放電管等。不同的吸波元件在抑制尖峰電壓方面有其局限性。例如壓敏電阻的電流吸收能力不夠大,氣體放大管的響應速度很慢。
除了分立式元件方案,還有模塊方案。例如高能立方AP系列模塊電源,內置防雷防浪涌電路,增加其可靠性。還有工業(yè)通訊,采用一體化的高浪涌防護隔離CAN收發(fā)器完全可以代替隔離CAN收發(fā)器與浪涌抑制器的組合方案,并且模塊式方案還可以簡(jiǎn)化電路設計、節省PCB空間、降低產(chǎn)品研發(fā)成本。