任何由主電源供電的電氣設備都容易受到電壓浪涌的影響。這些完全不可預測的事件可能以多種形式出現(xiàn)：從正常運行期間的適度功率尖峰到外部雷擊引起的巨大功率浪涌。為了防止損壞和停機，電氣設備和電路需要配備足夠的浪涌保護。
本文介紹了如何識別應用中電壓浪涌的可能原因、適用的監(jiān)管浪涌測試標準以及可用的不同類型的浪涌抑制裝置。
評估浪涌風險
要確定電源的浪涌保護級別，我們必須預測可能遇到的浪涌類型。有些系統(tǒng)可能會遇到非常常見且可控的過壓，而其他系統(tǒng)可能容易受到更極端的浪涌事件的影響。浪涌的三個主要原因是：
· 閃電
· 負載瞬變
· 故障
氣象學家估計，每天有 300 萬次閃電發(fā)生，地球每秒被擊中 40 多次1。因此，雷擊(無論是直接還是間接)是電廠浪涌事件的常見原因，這并不奇怪(圖 1)。它們攜帶的電流和電壓遠遠超過大多數(shù)系統(tǒng)的額定值。如果沒有應用適當級別的保護，電子設備很可能會立即失效。
交流電源線上較溫和的浪涌也可能由電路上其他設備的開啟或關閉引起。雖然這些動作通常是正常操作的一部分，但它們?nèi)匀粫a(chǎn)生快速而顯著的電流變化，從而在電纜中引起電壓尖峰。
故障也可能是電涌的來源。系統(tǒng)組件和設備的故障可能導致電路意外短路或斷路，從而引發(fā)系統(tǒng)其他部分的瞬態(tài)電壓和電流。
位置、布線以及應用于電源輸入端的浪涌保護級別(內(nèi)部或外部)等多種因素都會影響電源輸入端浪涌電壓的強度和幅度。
保護級別定義
多種行業(yè)標準都提供了浪涌風險分類和提供必要保護級別的指導。國際電工委員會的 IEC 61000-4-5 是電源最常見的標準。它在許多國家免疫標準中被引用，例如 EN 55035 規(guī)定了多媒體設備的免疫要求。
IEC 61000-4-5 定義了一種標準化測試方法，并根據(jù)安裝類別和耦合方法定義了不同的保護等級(表 1)。安裝類別 3-5 的測試要求范圍為 1kV 至 4kV，與直流電源最為相關。
表 1：IEC 61000-4-5 連接至主電源的交流和直流電源的浪涌測試電壓
浪涌保護裝置
保護電源及其負載免受浪涌影響通常需要某種形式的內(nèi)部或外部浪涌保護裝置或電路。箝位器和短路器是兩種主要的浪涌保護電路。
電壓鉗可防止電壓超過所選的鉗位電壓。在浪涌事件期間，電壓將保持在鉗位電壓，電流將通過鉗位轉移，直到浪涌過去。
這些電路中最常用的元件是瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和氣體放電管(GDT)。
表 2：典型的浪涌保護元件和特性
瞬態(tài)電壓抑制二極管
TVS 二極管旨在吸收電壓尖峰的多余能量，從而將其鉗制。它們可以是單向的，也可以是雙向的。與齊納二極管一樣，TVS 也有一個拐點電壓，當電壓超過該拐點電壓時，二極管將開始導通。在浪涌條件下，電壓被鉗制在拐點電壓，多余的能量將從電源中轉移出去。
壓敏電阻鉗
電壓敏感金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 提供比 TVS 二極管更柔和的鉗位電壓，并且反應時間更慢。MOV 雙向運行，低壓時電阻高，高壓時電阻低。其低成本和浪涌處理能力使其成為電源浪涌保護的常見選擇。但是，MOV 也會磨損，并且只能處理有限數(shù)量的浪涌事件。(圖 2)
圖 2：MOV 原理圖符號(左)和電壓-電流關系(右)
氣體放電管
氣體放電管 (GDT) 通常用作短路電路。短路器采用不同的浪涌保護方法。短路器不會將電壓限制為最大值，而是將電路節(jié)點短路，使電壓接近于零。GDT 與二極管一樣，充當電壓相關開關。它們通常表現(xiàn)為開路，當超過電壓閾值時則表現(xiàn)為短路。GDT 可以處理更多電流，但也往往是反應最慢的浪涌保護裝置。電源有時會將它們與其他方法結合使用，以獲得更強大的解決方案。
由于每個設備的速度和能量處理能力不同，可能需要組合使用夾具類型來實現(xiàn)所需的電涌保護(圖 3)。
圖 3：GDT 與 TVS 和 MOV 配合使用，形成強大的浪涌抑制電路的示例
現(xiàn)成電源
設計師在指定現(xiàn)成電源時需要小心謹慎，因為可用的浪涌保護程度變化很大。板載電源提供一系列選項，從無內(nèi)部保護到最高保護級別。雖然制造商通常會提供參考設計來提高固有性能水平，但設計師應檢查制造商的外部電路是否符合應用的適當性能水平。
圖 4：滿足更高浪涌要求的推薦 EMC 電路示例
選擇合適的電源
浪涌保護應始終作為系統(tǒng)方法的一部分進行部署，該方法應考慮應用、風險和相關標準。浪涌事件的頻率和強度可能有很大差異，但有許多設備可以單獨使用或組合使用以實現(xiàn)所需的保護級別。CUI 等專家可以幫助您為您的應用選擇合適的電源。
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