電源浪涌保護的基礎(chǔ)知識

電源浪涌問題

電壓浪涌是許多市電供電設(shè)備所面臨的問題。若沒有針對預(yù)期環(huán)境而正確設(shè)計，浪涌可能會損壞電源及其供電的設(shè)備。本文將確定電壓浪涌的原因，使您熟悉浪涌測試監(jiān)管標準，并展示浪涌抑制設(shè)計和組件，由此對浪涌保護的基礎(chǔ)知識進行討論。

浪涌有三項主要原因：

雷擊

負載瞬態(tài)

故障

雷擊是外部浪涌瞬變的常見來源，會產(chǎn)生遠高于大多數(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)用適當級別保護的情況下足以導(dǎo)致電子設(shè)備立刻發(fā)生故障。

打開或關(guān)閉電路中的其他設(shè)備時，也會引起交流供電線路上的浪涌。電機或電容器組等無功負載在建立其電場和磁場之前類似于短路。關(guān)閉時，這些場中儲存的能量也會快速流入到系統(tǒng)中。在這兩種情況下，高而快的瞬態(tài)電流會帶來電壓尖峰，并導(dǎo)致未受保護的設(shè)備發(fā)生故障。

故障也可能會產(chǎn)生浪涌，導(dǎo)致對電源輸入端施加過大的電壓。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)生意外短路或開路而產(chǎn)生瞬態(tài)電壓和電流。

電源輸入端浪涌電壓的強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（無論是內(nèi)部還是外部）施加的浪涌保護水平。

國際標準定義保護水平

已制訂標準，以便對所需的保護水平進行分類并提供指導(dǎo)。最常用的電源標準是國際電工委員會制訂的 IEC 61000-4-5。許多國家的抗干擾標準中都對其進行了引用，例如 EN 55035，其規(guī)定了多媒體設(shè)備的抗干擾要求。

IEC61000-4-5 標準根據(jù)安裝類別和耦合方法定義了標準化的測試方法以及不同級別的保護。直流電源通常與安裝類別 3-5 有關(guān)，測試要求為 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 浪涌測試電壓

浪涌抑制電路和設(shè)備

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

箝位

消弧

浪涌箝制

電壓箝位電路可防止電壓超過所選的箝位電壓。在發(fā)生浪涌期間，電壓將保持在箝位電壓，通過箝位電路將電流分流，直到浪涌通過為止。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，可能需要對箝位電路類型進行組合。

表2：典型浪涌保護組件和特性

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，從而對電壓進行箝制。它們可以是單向的，也可以是雙向的。這些二極管具有類似于齊納二極管的拐點電壓，在高于拐點電壓時，二極管將開始導(dǎo)通。這將導(dǎo)致電壓被箝制在拐點電壓，并且會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。它會提供較柔和的箝位電壓，反應(yīng)速度慢于 TVS 二極管。MOV 也會磨損，只能處理有限數(shù)量的浪涌事件。不過，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。

圖2：MOV 原理圖符號（左）和電壓-電流關(guān)系（右）

撬棒電路

撬棒電路是一種不同類型的浪涌保護電路。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 類似，可充當電壓相關(guān)開關(guān)。此設(shè)備正常情況下為開路，超過電壓閾值時將短路。GDT 可以處理較大的電流，但往往是反應(yīng)最慢的浪涌保護設(shè)備。電源有時會將其與其他方法結(jié)合使用，以獲得更強大的解決方案。

圖3：GDT 與 TVS 及 MOV 搭配使用以實現(xiàn)強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。板上安裝電源會提供從無內(nèi)部保護到最高保護等級等各種選項。通常，制造商會提供參考設(shè)計以提高固有的性能水平。設(shè)計人員需要注意數(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)測和系統(tǒng)評估

電壓浪涌的性質(zhì)是，任何單一浪涌都完全不可預(yù)測。也就是說，仍然可以對系統(tǒng)進行評估，預(yù)測它可能受到的浪涌類型，并建議適當程度的浪涌保護。相應(yīng)的保護水平可能會有所不同。可以預(yù)見到一些系統(tǒng)會經(jīng)歷大部分常見且相對容易處理的過壓。例如，附近其他設(shè)備的打開和關(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的地區(qū)。在這種情況下，可能會建議采取保護措施以應(yīng)對更嚴重的尖峰。

審核編輯：湯梓紅