1,、電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗標準

電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗的國家標準為GB/T17626.5（等同于國際標準IEC61000-4-5 ）,。

標準主要是模擬間接雷擊產(chǎn)生的各種情況：

  （1）雷電擊中外部線路,，有大量電流流入外部線路或接地電阻,，因而產(chǎn)生的干擾電

  （2）間接雷擊（如云層間或云層內(nèi)的雷擊）在外部線路上感應出電壓和電流。

  （3）雷電擊中線路鄰近物體,，在其周圍建立的強大電磁場,，在外部線路上感應出電壓。

  （4）雷電擊中鄰近地面,，地電流通過公共接地系統(tǒng)時所引進的干擾,。

標準除了模擬雷擊外,，還模擬變電所等場合,，因開關動作而引進的干擾（開關切換時引起電壓瞬變），如：

  （1）主電源系統(tǒng)切換時產(chǎn)生的干擾（如電容器組的切換）,。

  （2）同一電網(wǎng),，在靠近設備附近的一些較小開關跳動時的干擾。

  （3）切換伴有諧振線路的晶閘管設備,。

  （4）各種系統(tǒng)性的故障,，如設備接地網(wǎng)絡或接地系統(tǒng)間的短路和飛弧故障,。

標準描述了兩種不同的波形發(fā)生器：一種是雷擊在電源線上感應生產(chǎn)的波形；另一種是在通信線路上感應產(chǎn)生的波形,。

這兩種線路都屬于空架線,，但線路的阻抗各不相同：在電源線上感應產(chǎn)生的浪涌波形比較窄一些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）,；而在通信線上感應產(chǎn)生的浪涌波形比較寬一些,，但前沿要緩一些。后面我們主要以雷擊在電源線上感應生產(chǎn)的波形來對電路進行分析,，同時也對通信線路的防雷技術進行簡單介紹,。

2、模擬雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理

上圖是模擬雷電擊到配電設備時,，在輸電線路中感應產(chǎn)生的浪涌電壓,，或雷電落地后雷電流通過公共地電阻產(chǎn)生的反擊高壓的脈沖產(chǎn)生電路。4kV時的單脈沖能量為100焦耳,。

圖中Cs是儲能電容（大約為10uF,，相當于雷云電容）；Us為高壓電源,；Rc為充電電阻,；Rs為脈沖持續(xù)時間形成電阻（放電曲線形成電阻）；Rm為阻抗匹配電阻Ls為電流上升形成電感,。

雷擊浪涌抗擾度試驗對不同產(chǎn)品有不同的參數(shù)要求,，上圖中的參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品標準要求不同，稍有改動,。

基本參數(shù)要求：

（1）開路輸出電壓：0.5～6kV,，分5等級輸出，最后一級由用戶與制造商協(xié)商確定,；

（2）短路輸出電流：0.25～2kA,，供不同等級試驗用;

（3）內(nèi)阻：2 歐姆，附加電阻10,、12,、40、42歐姆,，供其它不同等級試驗

（4）涌輸出極性：正/負,；浪涌輸出與電源同步時，移相0～360度,；

（5）重復頻率：至少每分鐘一次,。

雷擊浪涌抗擾度試驗的嚴酷等級分為5級:

1級：較好保護的環(huán)境；

2級：有一定保護的環(huán)境；

3級：普通的電磁騷擾環(huán)境,、對設備未規(guī)定特殊安裝要求,，如工業(yè)性的工作場所；

4級：受嚴重騷擾的環(huán)境,，如民用空架線,、未加保護的高壓變電所。

X級：由用戶與制造商協(xié)商確定,。

圖中18uF電容,，可根據(jù)嚴酷等級不同，選擇數(shù)值也可不同,，但大到一定值之后,，基本上就沒有太大意義。

10歐姆電阻以及9uF電容,，可根據(jù)嚴酷等級不同,，選擇數(shù)值也不同，電阻最小值可選為0歐姆（美國標準就是這樣）,， 9uF電容也可以選得很大,，但大到一定值之后，基本上就沒有太大意義,。

3,、共模浪涌抑制電路

防浪涌設計時，假定共模與差模這兩部分是彼此獨立的,。然而,，這兩部分并非真正獨立，因為共模扼流圈可以提供相當大的差模電感,。這部分差模電感可由分立的差模電感來模擬,。

為了利用差模電感，在設計過程中,，共模與差模不應同時進行,，而應該按照一定的順序來做。首先,，應該測量共模噪聲并將其濾除掉,。采用差模抑制網(wǎng)絡（Differential Mode Rejection Network），可以將差模成分消除,，因此就可以直接測量共模噪聲了,。

如果設計的共模濾波器要同時使差模噪聲不超過允許范圍，那么就應測量共模與差模的混合噪聲,。因為已知共模成分在噪聲容限以下,，因此超標的僅是差模成分，可用共模濾波器的差模漏感來衰減,。對于低功率電源系統(tǒng),，共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問題，因為差模輻射的源阻抗較小,，因此只有極少量的電感是有效的,。

對4000Vp以下的浪涌電壓進行抑制，一般只需采用LC電路進行限流和平滑濾波,，把脈沖信號盡量壓低到2~3倍脈沖信號平均值的水平即可,。電感很容易飽和，因此,，L1,、L2一般都采用一種漏感很大的共模電感。

用在交流,，直流的都有,，通常我們在電源EMI濾波器，開關電源中常見到,，而直流側少見,，在汽車電子中能夠看到用在直流側。
加入共模電感是為了消除并行線路上的共模干擾（有兩線的,，也有多線的）,。由于電路上兩線阻抗的不平衡，共模干擾最終體現(xiàn)在差模上,。用差模濾波方法很難濾除,。
共模電感到底需要用在哪。共模干擾通常是電磁輻射,，空間耦合過來的,，那么無論是交流還是直流，你有長線傳輸,，就涉及到共模濾波就得加共模電感,。例如：USB線好多就在線上加磁環(huán)。 開關電源入口,，交流電是遠距離傳輸過來的就需要加,。通常直流側不需要遠傳就不需要加了。沒有共模干擾,，加了就是浪費,，對電路沒有增益。

電源濾波器的設計通?？蓮墓材：筒钅煞矫鎭砜紤],。共模濾波器最重要的部分就是共模扼流圈，與差模扼流圈相比，共模扼流圈的一個顯著優(yōu)點在于它的電感值*,，而且體積又小,，設計共模扼流圈時要考慮的一個重要問題是它的漏感，也就是差模電感,。通常,，計算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%，實際上漏感為共模電感的0.5% ～4%之間,。在設計*性能的扼流圈時,，這個誤差的影響可能是不容忽視的。

漏感的重要性

漏感是如何形成的呢,？緊密繞制,，且繞滿一周的環(huán)形線圈，即使沒有磁芯,，其所有磁通都集中在線圈“芯"內(nèi),。但是，如果環(huán)形線圈沒有繞滿一周,，或者繞制不緊密,，那么磁通就會從芯中泄漏出來。這種效應與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導率成正比,。

共模扼流圈有兩個繞組,，這兩個繞組被設計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導時方向相反，從而使磁場為0,。如果為了安全起見,，芯體上的線圈不是雙線繞制，這樣兩個繞組之間就有相當大的間隙,，自然就引起磁通“泄漏",，這即是說，磁場在所關心的各個點上并非真正為0,。共模扼流圈的漏感是差模電感,。事實上，與差模有關的磁通必須在某點上離開芯體,，換句話說,，磁通在芯體外部形成閉合回路，而不僅僅只局限在環(huán)形芯體內(nèi),。

一般CX電容可承受4000Vp的差模浪涌電壓沖擊,，CY電容可承受5000Vp的共模電壓沖擊。正確選擇L1,、L2和CX2,、CY參數(shù)的大小,，就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌電壓。但如果兩個CY電容是安裝在整機線路之中,，其總容量不能超過5000P,，如要抑制浪涌電壓超過4000Vp，還需選用耐壓更高的電容器,，以及帶限幅功能的浪涌抑制電路,。

所謂抑制,，只不過是把尖峰脈沖的幅度降低了一些,，然后把其轉換成另一個脈沖寬度相對比較寬，幅度較為平坦的波形輸出,，但其能量基本沒有改變,。

兩個CY電容的容量一般都很小，存儲的能量有限,，其對共模抑制的作用并不很大,，因此，對共模浪涌抑制主要靠電感L1和L2,，但由于L1,、L2的電感量也受到體積和成本的限制，一般也難以做得很大,，所以上面電路對雷電共模浪涌電壓抑制作用很有限,。

圖（a）中L1與CY1、 L2與CY2,，分別對兩路共模浪涌電壓進行抑制,，計算時只需計算其中一路即可。?對L1進行精確計算,，須要求解一組2階微分方程,，結果表明：電容充電是按正弦曲線進行，放電是按余弦曲線進行,。但此計算方法比較復雜,，這里采用比較簡單的方法。

共模信號是一個幅度為Up,、寬度為τ的方波,，以及CY電容兩端的電壓為Uc，測流過電感的電流為一寬度等于2τ的鋸齒波：

流過電感的電流為：

流過電感的最大電流為：

在2τ期間流過電感的平均電流為：

由此可以求得CY電容在2τ期間的電壓變化量為：

上面公式是計算共模浪涌抑制電路中電感L和電容CY參數(shù)的計算公式,，式中,，Uc為CY電容兩端的電壓，也是浪涌抑制電路的輸出電壓,，?Uc為CY電容兩端的電壓變化量,，但由于雷電脈沖的周期很長,，占空比很小，可以認為Uc = ?Uc,，Up為共模浪涌脈沖的峰值,，q為CY電容存儲的電荷，τ為共模浪涌脈沖的寬度,，L為電感,，C為電容。

根據(jù)上面公式,，假設浪涌峰值電壓Up=4000Vp,，電容C=2500p，浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=2000Vp,，則需要電感L的數(shù)值為1H,。顯然這個數(shù)值非常大，在實際中很難實現(xiàn),，所以上面電路對雷電共模抑制的能力很有限,，此電路還需進一步改進。

差模浪涌電壓抑制,，主要是靠圖中的濾波電感L1,、L2 ，和濾波電容CX ,，L1,、L2濾波電感和CX濾波電容等參數(shù)的選擇，同樣可以用下面公式來進行計算,。

但上式中的L應該等于L1和L2兩個濾波電感之和,，C=CX，Uc等于差模抑制輸出電壓,。一般,，差模抑制輸出電壓應不大于600Vp，因為很多半導體器件和電容的最大耐壓都在此電壓附近,，并且,，經(jīng)過L1和L2兩個濾波電感以及CX電容濾波之后，雷電差模浪涌電壓的幅度雖然降低了,，但能量基本上沒有降低,，因為經(jīng)過濾波之后，脈沖寬度會增加,，一旦器件被擊穿,，大部分都無法恢復到原來的狀態(tài)。

根據(jù)上面公式,，假設浪涌峰值電壓Up=4000Vp,，脈沖寬度為50uS,，差模浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=600Vp，則需要LC的數(shù)值為14mH×uF,。顯然,，這個數(shù)值對于一般電子產(chǎn)品的浪涌抑制電路來說還是比較大的，相比之下,，增加電感量要比增加電容量更有利,，因此最好選用一種有3個窗口、用矽鋼片作鐵芯,，電感量相對較大（大于20mH）的電感作為浪涌電感,，這種電感共模和差模電感量都很大，并且不容易飽和,。 順便指出,，整流電路后面的電解濾波電容,，同樣也具有抑制浪涌脈沖的功能,，如果把此功能也算上，其輸出電壓Uc就不能選600Vp,，而只能選為電容器的最高耐壓Ur（400Vp）,。

4、雷擊浪涌脈沖電壓抑制常用器件 

避雷器件主要有陶瓷氣體放電管,、氧化鋅壓敏電阻,、半導體閘流管（TVS）、浪涌抑制電感線圈,、X類浪涌抑制電容等,，各種器件要組合使用。

氣體放電管的種類很多,，放電電流一般都很大,，可達數(shù)十kA，放電電壓比較高,，放電管從點火到放電需要一定的時間,，并且存在殘存電壓，性能不太穩(wěn)定,；氧化鋅壓敏電阻伏安特性比較好,，但受功率的限制，電流相對比放電管小,，多次被雷電過流擊穿后,，擊穿電壓值會下降，甚至會失效,；

半導體TVS管伏安特性最好,，但功率一般都很小,，成本比較高；浪涌抑制線圈是最基本的防雷器件,，為防流過電網(wǎng)交流電飽和,，必須選用三窗口鐵芯；X電容也是必須的,，要選用容許紋波電流較大的電容,。

氣體放電管

氣體放電管指作過電壓保護用的避雷.管.或天線開關管一類，管內(nèi)有二個或多個電極,，充有一定量的惰性氣體,。氣體放電管是一種間隙式的防雷保護元件，它用在通信系統(tǒng)的防雷保護,。

放電管的工作原理是氣體間隙放電i當放電管兩極之間施加一定電壓時,，便在極間產(chǎn)生不均勻電場：在此電場作用下，管內(nèi)氣體開始游離,，當外加電壓增大到使極間場強超過氣體的絕緣強度時,，兩極之間的間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉化為導電狀態(tài),，導通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平,，這種殘壓一般很低，從而使得與放電管并聯(lián)的電子設備免受過電壓的損壞,。

氣體放電管有的是以玻璃作為管子的封裝外殼．也有的用陶瓷作為封裝外殼,，放電管內(nèi)充入電氣性能穩(wěn)定的惰性氣體（如氬氣和氖氣等），常用放電管的放電電極一般為兩個,、三個,，電極之間由惰性氣體隔開。按電極個數(shù)的設置來劃分,，放電管可分為二極,、三極放電管。

陶瓷二極放電管由純鐵電極,、鎳鉻鈷合金帽,、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要部件構成。管內(nèi)放電電極上涂覆有放射性氧化物,，管體內(nèi)壁也涂覆有放射性元素,，用于改善放電特性。

放電電極主要有桿形和杯形兩種結構,，在桿形電極的放電管中,，電極與管體壁之間還要加裝一個圓筒熱屏，該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨于均勻,，不致出現(xiàn)局部過熱而引起管斷裂,。熱屏內(nèi)也涂覆放射性氧化物,，以進一步減小放電分散性。在杯形電極的放電管中,，杯口處裝有鉬網(wǎng),，杯內(nèi)裝有銫元素，其作用也是減小放電分散性,。

三極放電管也是由純鐵電極,、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等部件構成,。與二極放電管不同,，在三極放電管中增加了鎳鉻鈷合金圓筒，作為第三極,，即接地電極,。

主要參數(shù)：

（1）直流擊穿電壓。此值由施加一個低上升速率（dv/dt=100V/s）的電壓值來決定,。

（2）沖擊（或浪涌）擊穿電壓,。它代表放電管的動態(tài)特性，常用上升速率為dv/dt=1kV/us的電壓值來決定,。

（3）標稱沖擊放電電流,。8/20us波形（前沿8us,，半峰持續(xù)時間20us）的額定放電電流,，通常放電10次。

（4）標準放電電流,。通過50Hz交流電流的額定有效值,，規(guī)定每次放電的時間為1s，放電10次,。

（5）最大單次沖擊放電電流,。對8/20us電流波的單次最大放電電流。

（6）耐工頻電流值,。對8/20us電流波的單次最大放電電流,。對50Hz交流電，能經(jīng)受連續(xù)9個周波的最大電流的有效值,。

（7）絕緣電阻,。對8/20us電流波的單次最大放電電流。對50Hz交流電,，能經(jīng)受連續(xù)9個周波的最大電流的有效值,。

（8）電容。放電管電極間的電容,，一般在2～10pF之間,，是所有瞬變干擾吸收器件中最小的,。

金屬氧化物壓敏電阻

壓敏電阻一般都是以氧化鋅為主要成分，另加少量的其它金屬氧化物（顆粒）,，如：鈷,、猛、鉍等壓制而成,。由于兩種不同性質的物體組合在一起,，相當于一個PN結（二極管），因此,，壓敏電阻相當于眾多的PN結串,、并聯(lián)組成。

5,、超高浪涌電壓抑制電路 

實例1

上圖是一個可抗擊較強雷電浪涌脈沖電壓的電原理圖,，圖中：G1、G2為氣體放電管,，主要用于對高壓共模浪涌脈沖抑制,，對高壓差模浪涌脈沖也同樣具有抑制能力；VR為壓敏電阻,，主要用于對高壓差模浪涌脈沖抑制,。經(jīng)過G1、G2和VR抑制后,，共模和差模浪涌脈沖的幅度和能量均大幅度降低,。

G1、G2的擊穿電壓可選1000Vp~3000Vp,，VR的壓敏電壓一般取工頻電壓最大值的1.7倍,。

G1、G2擊穿后會產(chǎn)生后續(xù)電流,，一定要加保險絲以防后續(xù)電流過大使線路短路

實例2

增加了兩個壓敏電阻VR1,、VR2和一個放電管G3，主要目的是加強對共模浪涌電壓的抑制,，由于壓敏電阻有漏電流,，而一般電子產(chǎn)品都對漏電流要求很嚴格（小于0.7mAp），所以圖中加了一個放電管G3,，使平時電路對地的漏電流等于0,。G3的擊穿電壓要遠小于G1、G2的擊穿電壓,，采用G3對漏電隔離后,，壓敏電阻VR1或VR2的擊穿電壓可相應選得比較低，VR1、VR2對差模浪涌電壓也有很強的抑制作用,。

實例3

G1是一個三端放電管,，它相當于把兩個二端放電管安裝在一個殼體中，用它可以代替上面兩個實例中的G1,、G2放電管,。除了二端、三端放電管之外,，放電管還有四端,、五端的，各放電管的用途也不*相同,。

實例4

增加了兩個壓敏電阻（VR1,、VR2），主要目的是為了隔斷G1擊穿后產(chǎn)生的后續(xù)電流,，以防后續(xù)電流過大使輸入電路短路,，但由于VR1、VR2的最大峰值電流一般只有G1的幾十分之一,，所以,，本實例對超高浪涌電壓的抑制能力相對實例3要的抑制能力差很多。

實例5 直接在PCB板上制作避雷裝置

在PCB板上直接制作放電避雷裝置,，可以代替防雷放電管,，可以抑制數(shù)萬伏共模或差模浪涌電壓沖擊,，避雷裝置電極之間距離一般要求比較嚴格,，輸入電壓為AC110V時，電極之間距離可選4.5mm,，輸入電壓為AC220V時,，可選6mm；避雷裝置的中間電極一定要接到三端電源線與PCB板連接的端口上,。

實例6 PCB板氣隙放電裝置代替放電管

在PCB板上直接制作氣隙放電裝置，正常放電電壓為每毫米1000~1500V,，4.5mm爬電距離的放電電壓大約為4500~6800Vp,，6mm爬電距離的放電電壓大約為6000~9000Vp。

6,、各種防雷器件的連接 

避雷器件的安裝順序不能搞錯,，放電管必須在最前面，其次是浪涌抑制電感和壓敏電阻（或放電管）,，再其次才是半導體TVS閘流管或X類電容及Y類電容,。