电子产品雷击浪涌测试防护设计

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电子产品的浪涌抵抗能力要通过浪涌(冲击)抗扰度测试来检验。该测试项目适用于电气和电子设备在规定的工作状态下工作时。对由开关或雷电作用所产生的有一定危害电平的浪涌(冲击)电压的反应。该测试项目适用于由公共供电网络供电的电子电气设备的交流电源端1：3测试。也适用于有室外电线、电缆连接的电源、控制、信号端口的测试。施加方式有共模和差模两种方式.因此，产品设计中就需要针对这些端口的共/差模浪涌采取相应的抑制措施。

1. 电源端口的浪涌抑制

一个理想的交流电源浪涌抑制方案，它充分利用不同吸收器件各自的优点。

理想工作状态是：当浪涌到来时。TVS首先起动。会把瞬间过电压精确控制在一定的水平；如果浪涌电流大。则压敏电阻接着起动，并泄放一定的浪涌电流；两端的电压会有所提高，直至推动前级气体放电管的放电。把大电流泄放到地。该电路汇集动作快、限压低和放电能力强的优点。中间的滤波电感起高频滤波(吸收浪涌脉冲的前沿高频能量)和级间隔离的作用。

对220 V/50 Hz的交流电源系统，第三级TVS可取380 V额定电压产品，第二级的压敏电阻可取470 V额定电压产品。第一级气体放电管选550 V额定电压产品，第一级压敏电阻可选400 V额定电压产品。为了减少前级气体放电管反映时间，可以在前级压敏电阻上并联一个1 000 pF到10 000 pF的高频电容。

第一保护电路的电流容量应大于电路可能承受的最大电流容量。第二级、第三级保护电路的浪涌电流容量可以逐级递减。对浪涌电压不需太高测试等级的产品，可以省略第一级的气体放电管和压敏电阻串联电路以及相应的级间隔离电感。对保护器残压不敏感的产品，可以省略第三级的TVS保护电路及相应的级间隔离电感。由于TVS吸流能力有限，一般不单独在交流电源端口使用。该剪裁不影响上面举例的保护器件额定电压的选择，但是保护电路的电流容量应相应地变化。

此保护电路有一点需要注意：若被测设备需耐受的浪涌电流不是很大，建议尽量不要使用第一级的气体放电管；若直流电路工作电压大于10 V，第一级气体放电管不可使用。此时可通过提高第二级压敏电阻的电流容量来满足设备的浪涌等级要求。对保护器残压不敏感的产品，可以省略第三级的TVS保护电路。在此电路中，气体放电管的额定电压应大于等于工作电压的1.8倍，压敏电阻的额定电压应大于等于工作电压的1.5倍。最前级保护元件的电流容量应大于最大浪涌电流。后级保护电路的电流容量可以逐级递减。

2. 通信端口的浪涌抑制

通信接口的浪涌抑制电路的技术要求较高，因为除了满足浪涌防护要求外，还须保证传输指标符合要求。加上与通信线路相连的设备耐压很低，对浪涌残压要求严格，因此在选择防护器件时较困难。理想的浪涌抑制电路应是电容小、残压低、通流大、响应快。

通信接El组合保护电路，只是为满足通信接口的高速信号传递的要求，将高频滤波电感换成了PTC型的自恢复保险丝。该PTC在正常工作阻抗近似为零，对通信线路无任何不良影响，当浪涌到达时，TVS和压敏电阻导通，大的浪涌电流通过PTC，PTC发热后变为高阻状态，从而分压了大的浪涌电压，保护了后续的浪涌抑制元件和通信电路；当浪涌消失后，PTC温度下降，恢复正常的低阻状态，通信电路还原到正常状态。

若通信电路对接口阻抗要求较宽，可以用低阻抗电阻代替PTC，以降低线路成本。此电路适用于非平衡传输的单路通信接口。对平衡传输的通信接口，T2通道也应如Tl通道对称加上PTC。若为多路通信接口，每路的保护电路均与此相同。对平衡传输的通信接口来说，当设备为金属外壳时，还需考虑设备与外壳地之间的浪涌冲击，各通信线对地的保护电路，只需将T2换成外壳地即可。各保护元件的额定电压应与通信接口的正常工作电压的峰值相适应，通流电流应与最大浪涌电流相适应。

此保护电路需要注意的是：若通信接口电路中含有绝对值超过l0 V的直流信号(如电话网络含有48 V直流)，气体放电管不可用；压敏电阻电容较大，只适用于音频通信信号传输。对不含直流的高频接口保护电路，可取消第二级的压敏电阻，这种保护电路大约可到几十MHz的频率(若通信电路含有直流，应选用灭弧电压高于工作直流的气体放电管；或保护电路仅由PTC与TVS组成，此时浪涌保护能力较低)。更高频率的保护就主要是采用放电管了，否则很难满足传输要求。

3. 天线端口的浪涌抑制

天线端口是一类非常容易遭受浪涌损坏的接口。无线通讯设备的外接天线端口一般需要与室外高处的天线连接以实现无线信号的收发。AV产品的天线端口也会与室外天线或CATV系统连接，这些接口都与室外引线连接。

尽管室外高处的天线一般都应有避雷针保护，进入室内后都还有前级(雷击)浪涌保护器保护。但是，一方面避雷针和保护器未必保护得很到位(这些保护措施失效也很难被产品用户发现，一般是出现浪涌对产品破坏之后才发现保护早已失效)；另一方面，这些室外天线很可能由用户自行安装(如农村的室外电视天线)，保护措施缺失；另外，产品的天线均为长期连接，除非产品移动，一般连接好后，不会经常断开。

这些特点决定了产品天线端口很容易遭受浪涌的冲击，不幸的是。与产品天线端口相连的电路都是对浪涌非常敏感的低压电子电路，因此，对天线端口的浪涌保护非常必要。

射频同轴天线端口组合保护电路，该电路前级保护电路由气体放电管构成，后级保护电路由TVS与高频扼流电感L构成。加入电感L的目的是防止天线上高频信号被TVS极间电容短路到地。为减少保护电路的高频衰减，去掉了级间隔离电阻。

这种保护电路的工作频率上限可达2GHz。若天线端口含有直流(如给前级天线放大器供电)，应选用灭弧电压高于工作直流的气体放电管。也有保护电路采用高通滤波器，因浪涌的能量频谱集中在几十赫兹到一兆赫兹之间，其能量主要集中在数十千赫兹以下，相对于天线端口的高频工作频率很低，可通过高通滤波器将浪涌从工作信号中分离加以吸收。对于点频通信天线也可采用四分之一波长的短路线构成带通滤波器，防雷效果更好。但这两种方法都会将天线上传送的直流短路，其应用范围有限。

4. 其它信号/控制端口的浪涌抑制

对其它信号腔制端口，若端口接线来自室外或线长超过一定的长度，则相应端口就有遭受感应的浪涌冲击损坏的危险，也需要采取相应的浪涌抑制措施。若工作信号为直流电平，其浪涌抑制方式可参考直流电源端口的浪涌抑制方式进行设计即可；若工作信号为中低频信号，其浪涌抑制方式可参考通信端口的浪涌抑制方式进行设计；若工作信号为高频信号，其浪涌抑制方式可参考天线端子的浪涌抑制方式进行设计。

但需要注意的是，若端口是由变压器或光耦隔离的，为防止变压器或光耦因浪涌击穿，除接口线线间需要浪涌抑制外，接口线对产品的接地端之间也应有相应的浪涌抑制电路。为保证内外电路的电气隔离，此处只可采用气体放电管进行浪涌抑制。为保证气体放电管浪涌击穿后能正常灭弧，变压器或光耦隔离的两端应无大于10 V的直流电位差。

5. 地线反弹的抑制

当并联型的浪涌抑制器发挥作用时.它将浪涌能量旁路到地线上。由于地线都是有一定阻抗的。因此当电流流过地线时，地线上会有电压。这种现象一般称为地线反弹。当浪涌抑制器的地与设备的地不在同一点，设备的线路实际上没有受到保护，较高的浪涌电压仍然加到了设备的电源线与地之间。

解决办法是在线路(地)与设备的外壳(地)之间再并联一只浪涌抑制器，或将两地选择在同一点。受到保护的设备与其他设备连接在一起。由于地线反弹的原因，另一台设备就要承受共模电压。 这个共模电压会出现在所有连接设备1(受保护设备)与设备2(未保护设备)的电缆上。解决的方法是在互连电缆的设备2一端安装浪涌抑制器。