電源浪涌保護(hù)需要注意什么

任何由主電源供電的電氣設(shè)備都容易受到電壓浪涌的影響。這些完全不可預(yù)測(cè)的事件可能以多種形式出現(xiàn)：從正常運(yùn)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(jī)，電氣設(shè)備和電路需要配備足夠的浪涌保護(hù)。

本文介紹了如何識(shí)別應(yīng)用中電壓浪涌的可能原因、適用的監(jiān)管浪涌測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以及可用的不同類(lèi)型的浪涌抑制裝置。

評(píng)估浪涌風(fēng)險(xiǎn)

要確定電源的浪涌保護(hù)級(jí)別，我們必須預(yù)測(cè)可能遇到的浪涌類(lèi)型。有些系統(tǒng)可能會(huì)遇到非常常見(jiàn)且可控的過(guò)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(gè)主要原因是：

· 閃電

· 負(fù)載瞬變

· 故障

氣象學(xué)家估計(jì)，每天有 300 萬(wàn)次閃電發(fā)生，地球每秒被擊中 40 多次1。因此，雷擊(無(wú)論是直接還是間接)是電廠浪涌事件的常見(jiàn)原因，這并不奇怪(圖 1)。它們攜帶的電流和電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大多數(shù)系統(tǒng)的額定值。如果沒(méi)有應(yīng)用適當(dāng)級(jí)別的保護(hù)，電子設(shè)備很可能會(huì)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(shè)備的開(kāi)啟或關(guān)閉引起。雖然這些動(dòng)作通常是正常操作的一部分，但它們?nèi)匀粫?huì)產(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(lái)源。系統(tǒng)組件和設(shè)備的故障可能導(dǎo)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(yīng)用于電源輸入端的浪涌保護(hù)級(jí)別(內(nèi)部或外部)等多種因素都會(huì)影響電源輸入端浪涌電壓的強(qiáng)度和幅度。

保護(hù)級(jí)別定義

多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都提供了浪涌風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)和提供必要保護(hù)級(jí)別的指導(dǎo)。國(guó)際電工委員會(huì)的 IEC 61000-4-5 是電源最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。它在許多國(guó)家免疫標(biāo)準(zhǔn)中被引用，例如 EN 55035 規(guī)定了多媒體設(shè)備的免疫要求。

IEC 61000-4-5 定義了一種標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法，并根據(jù)安裝類(lèi)別和耦合方法定義了不同的保護(hù)等級(jí)(表 1)。安裝類(lèi)別 3-5 的測(cè)試要求范圍為 1kV 至 4kV，與直流電源最為相關(guān)。

表 1：IEC 61000-4-5 連接至主電源的交流和直流電源的浪涌測(cè)試電壓

浪涌保護(hù)裝置

保護(hù)電源及其負(fù)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(hù)裝置或電路。箝位器和短路器是兩種主要的浪涌保護(hù)電路。

電壓鉗可防止電壓超過(guò)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(guò)鉗位轉(zhuǎn)移，直到浪涌過(guò)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(hù)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(gè)拐點(diǎn)電壓，當(dāng)電壓超過(guò)該拐點(diǎn)電壓時(shí)，二極管將開(kāi)始導(dǎo)通。在浪涌條件下，電壓被鉗制在拐點(diǎn)電壓，多余的能量將從電源中轉(zhuǎn)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(yīng)時(shí)間更慢。MOV 雙向運(yùn)行，低壓時(shí)電阻高，高壓時(shí)電阻低。其低成本和浪涌處理能力使其成為電源浪涌保護(hù)的常見(jiàn)選擇。但是，MOV 也會(huì)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(hào)(左)和電壓-電流關(guān)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(hù)方法。短路器不會(huì)將電壓限制為最大值，而是將電路節(jié)點(diǎn)短路，使電壓接近于零。GDT 與二極管一樣，充當(dāng)電壓相關(guān)開(kāi)關(guān)。它們通常表現(xiàn)為開(kāi)路，當(dāng)超過(guò)電壓閾值時(shí)則表現(xiàn)為短路。GDT 可以處理更多電流，但也往往是反應(yīng)最慢的浪涌保護(hù)裝置。電源有時(shí)會(huì)將它們與其他方法結(jié)合使用，以獲得更強(qiáng)大的解決方案。

由于每個(gè)設(shè)備的速度和能量處理能力不同，可能需要組合使用夾具類(lèi)型來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的電涌保護(hù)(圖 3)。

圖 3：GDT 與 TVS 和 MOV 配合使用，形成強(qiáng)大的浪涌抑制電路的示例

現(xiàn)成電源

設(shè)計(jì)師在指定現(xiàn)成電源時(shí)需要小心謹(jǐn)慎，因?yàn)榭捎玫睦擞勘Ｗo(hù)程度變化很大。板載電源提供一系列選項(xiàng)，從無(wú)內(nèi)部保護(hù)到最高保護(hù)級(jí)別。雖然制造商通常會(huì)提供參考設(shè)計(jì)來(lái)提高固有性能水平，但設(shè)計(jì)師應(yīng)檢查制造商的外部電路是否符合應(yīng)用的適當(dāng)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(hù)應(yīng)始終作為系統(tǒng)方法的一部分進(jìn)行部署，該方法應(yīng)考慮應(yīng)用、風(fēng)險(xiǎn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。浪涌事件的頻率和強(qiáng)度可能有很大差異，但有許多設(shè)備可以單獨(dú)使用或組合使用以實(shí)現(xiàn)所需的保護(hù)級(jí)別。CUI 等專(zhuān)家可以幫助您為您的應(yīng)用選擇合適的電源。