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电源浪涌保护的基础知识

点击次数:476 更新时间:2024-05-08

电源浪涌问题

电压浪涌是许多市电供电设备所面临的问题。若没有针对预期环境而正确设计,浪涌可能会损坏电源及其供电的设备。本文将确定电压浪涌的原因,使您熟悉浪涌测试监管标准,并展示浪涌抑制设计和组件,由此对浪涌保护的基础知识进行讨论。

浪涌有三项主要原因:

  • 雷击

  • 负载瞬态

  • 故障

雷击是外部浪涌瞬变的常见来源,会产生远高于大多数电子系统额定值的电流和电压。这些电压浪涌通常很大,在未应用适当级别保护的情况下足以导致电子设备立刻发生故障。


图1:对建筑物和输电线的雷击可能会对附近的设备产生损害


打开或关闭电路中的其他设备时,也会引起交流供电线路上的浪涌。电机或电容器组等无功负载在建立其电场和磁场之前类似于短路。关闭时,这些场中储存的能量也会快速流入到系统中。在这两种情况下,高而快的瞬态电流会带来电压尖峰,并导致未受保护的设备发生故障。

故障也可能会产生浪涌,导致对电源输入端施加过大的电压。若系统组件和设备发生故障,可能导致系统其他部分因电路发生意外短路或开路而产生瞬态电压和电流。

电源输入端浪涌电压的强度和幅值取决于许多因素,包括位置、布线以及在电源输入端(无论是内部还是外部)施加的浪涌保护水平。

国际标准定义保护水平

已制订标准,以便对所需的保护水平进行分类并提供指导。的电源标准是国际电工委员会制订的 IEC 61000-4-5。许多国家的抗干扰标准中都对其进行了引用,例如 EN 55035,其规定了多媒体设备的抗干扰要求。

IEC61000-4-5 标准根据安装类别和耦合方法定义了标准化的测试方法以及不同级别的保护。直流电源通常与安装类别 3-5 有关,测试要求为 1kV 至 4kV(表 1)。


表1:连接到市电的交流和直流电源的 IEC 61000-4-5 浪涌测试电压



浪涌抑制电路和设备

若要保护电源及其负载免受浪涌影响,通常需要使用某种形式的内部或外部浪涌保护电路。浪涌保护电路主要分为两类:

  • 箝位

  • 消弧


浪涌箝制

电压箝位电路可防止电压超过所选的箝位电压。在发生浪涌期间,电压将保持在箝位电压,通过箝位电路将电流分流,直到浪涌通过为止。通常用作箝位电路的两种设备是瞬态电压抑制二极管 (TVS) 和金属氧化物变阻器 (MOV)。每种设备的速度和能量处理能力呈反比,如表 2 所示,可能需要对箝位电路类型进行组合。


表2:典型浪涌保护组件和特性


瞬态抑制二极管

TVS 是二极管,旨在吸收电压尖峰的多余能量,从而对电压进行箝制。它们可以是单向的,也可以是双向的。这些二极管具有类似于齐纳二极管的拐点电压,在高于拐点电压时,二极管将开始导通。这将导致电压被箝制在拐点电压,并且会从电源分流多余的能量。

变阻器箝位

双向半导体金属氧化物变阻器 (MOV) 是压敏变阻器。MOV 在低电压下具有高电阻,在高电压下具有低电阻。它会提供较柔和的箝位电压,反应速度慢于 TVS 二极管。MOV 也会磨损,只能处理有限数量的浪涌事件。不过,凭借低成本和浪涌处理能力,它们通常用于电源中的浪涌保护。


图2:MOV 原理图符号(左)和电压-电流关系(右)



电路


撬棒电路是一种不同类型的浪涌保护电路。撬棒设备不是将电压限制在最大值,而是使电路节点短接,使电压接近零。气体放电管 (GDT) 通常用作撬棒设备。GDT 与 TVS 类似,可充当电压相关开关。此设备正常情况下为开路,超过电压阈值时将短路。GDT 可以处理较大的电流,但往往是反应最慢的浪涌保护设备。电源有时会将其与其他方法结合使用,以获得更强大的解决方案。



图3:GDT 与 TVS 及 MOV 搭配使用以实现强大浪涌抑制电路的示例



现成电源的抗浪涌干扰

现成的电源可能包含,也可能不包含内部浪涌保护。板上安装电源会提供从无内部保护到最高保护等级等各种选项。通常,制造商会提供参考设计以提高固有的性能水平。设计人员需要注意数据表,以查看制造商的外部电路是否符合应用的相应性能水平。



图4:建议使用 EMC 电路,以满足更高的浪涌要求



浪涌预测和系统评估

电压浪涌的性质是,任何单一浪涌都不可预测。也就是说,仍然可以对系统进行评估,预测它可能受到的浪涌类型,并建议适当程度的浪涌保护。相应的保护水平可能会有所不同。可以预见到一些系统会经历大部分常见且相对容易处理的过压。例如,附近其他设备的打开和关闭。另一种情况可能是系统位于存在大量雷电活动的地区。在这种情况下,可能会建议采取保护措施以应对更严重的尖峰。


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