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電源浪涌保護的基礎知識

點(diǎn)擊次數:430 更新時(shí)間:2024-05-08

電源浪涌問(wèn)題

電壓浪涌是許多市電供電設備所面臨的問(wèn)題。若沒(méi)有針對預期環(huán)境而正確設計,浪涌可能會(huì )損壞電源及其供電的設備。本文將確定電壓浪涌的原因,使您熟悉浪涌測試監管標準,并展示浪涌抑制設計和組件,由此對浪涌保護的基礎知識進(jìn)行討論。

浪涌有三項主要原因:

  • 雷擊

  • 負載瞬態(tài)

  • 故障

雷擊是外部浪涌瞬變的常見(jiàn)來(lái)源,會(huì )產(chǎn)生遠高于大多數電子系統額定值的電流和電壓。這些電壓浪涌通常很大,在未應用適當級別保護的情況下足以導致電子設備立刻發(fā)生故障。


圖1:對建筑物和輸電線(xiàn)的雷擊可能會(huì )對附近的設備產(chǎn)生損害


打開(kāi)或關(guān)閉電路中的其他設備時(shí),也會(huì )引起交流供電線(xiàn)路上的浪涌。電機或電容器組等無(wú)功負載在建立其電場(chǎng)和磁場(chǎng)之前類(lèi)似于短路。關(guān)閉時(shí),這些場(chǎng)中儲存的能量也會(huì )快速流入到系統中。在這兩種情況下,高而快的瞬態(tài)電流會(huì )帶來(lái)電壓尖峰,并導致未受保護的設備發(fā)生故障。

故障也可能會(huì )產(chǎn)生浪涌,導致對電源輸入端施加過(guò)大的電壓。若系統組件和設備發(fā)生故障,可能導致系統其他部分因電路發(fā)生意外短路或開(kāi)路而產(chǎn)生瞬態(tài)電壓和電流。

電源輸入端浪涌電壓的強度和幅值取決于許多因素,包括位置、布線(xiàn)以及在電源輸入端(無(wú)論是內部還是外部)施加的浪涌保護水平。

國際標準定義保護水平

已制訂標準,以便對所需的保護水平進(jìn)行分類(lèi)并提供指導。的電源標準是國際電工委員會(huì )制訂的 IEC 61000-4-5。許多國家的抗干擾標準中都對其進(jìn)行了引用,例如 EN 55035,其規定了多媒體設備的抗干擾要求。

IEC61000-4-5 標準根據安裝類(lèi)別和耦合方法定義了標準化的測試方法以及不同級別的保護。直流電源通常與安裝類(lèi)別 3-5 有關(guān),測試要求為 1kV 至 4kV(表 1)。


表1:連接到市電的交流和直流電源的 IEC 61000-4-5 浪涌測試電壓



浪涌抑制電路和設備

若要保護電源及其負載免受浪涌影響,通常需要使用某種形式的內部或外部浪涌保護電路。浪涌保護電路主要分為兩類(lèi):

  • 箝位

  • 消弧


浪涌箝制

電壓箝位電路可防止電壓超過(guò)所選的箝位電壓。在發(fā)生浪涌期間,電壓將保持在箝位電壓,通過(guò)箝位電路將電流分流,直到浪涌通過(guò)為止。通常用作箝位電路的兩種設備是瞬態(tài)電壓抑制二極管 (TVS) 和金屬氧化物變阻器 (MOV)。每種設備的速度和能量處理能力呈反比,如表 2 所示,可能需要對箝位電路類(lèi)型進(jìn)行組合。


表2:典型浪涌保護組件和特性


瞬態(tài)抑制二極管

TVS 是二極管,旨在吸收電壓尖峰的多余能量,從而對電壓進(jìn)行箝制。它們可以是單向的,也可以是雙向的。這些二極管具有類(lèi)似于齊納二極管的拐點(diǎn)電壓,在高于拐點(diǎn)電壓時(shí),二極管將開(kāi)始導通。這將導致電壓被箝制在拐點(diǎn)電壓,并且會(huì )從電源分流多余的能量。

變阻器箝位

雙向半導體金屬氧化物變阻器 (MOV) 是壓敏變阻器。MOV 在低電壓下具有高電阻,在高電壓下具有低電阻。它會(huì )提供較柔和的箝位電壓,反應速度慢于 TVS 二極管。MOV 也會(huì )磨損,只能處理有限數量的浪涌事件。不過(guò),憑借低成本和浪涌處理能力,它們通常用于電源中的浪涌保護。


圖2:MOV 原理圖符號(左)和電壓-電流關(guān)系(右)



電路


撬棒電路是一種不同類(lèi)型的浪涌保護電路。撬棒設備不是將電壓限制在最大值,而是使電路節點(diǎn)短接,使電壓接近零。氣體放電管 (GDT) 通常用作撬棒設備。GDT 與 TVS 類(lèi)似,可充當電壓相關(guān)開(kāi)關(guān)。此設備正常情況下為開(kāi)路,超過(guò)電壓閾值時(shí)將短路。GDT 可以處理較大的電流,但往往是反應最慢的浪涌保護設備。電源有時(shí)會(huì )將其與其他方法結合使用,以獲得更強大的解決方案。



圖3:GDT 與 TVS 及 MOV 搭配使用以實(shí)現強大浪涌抑制電路的示例



現成電源的抗浪涌干擾

現成的電源可能包含,也可能不包含內部浪涌保護。板上安裝電源會(huì )提供從無(wú)內部保護到最高保護等級等各種選項。通常,制造商會(huì )提供參考設計以提高固有的性能水平。設計人員需要注意數據表,以查看制造商的外部電路是否符合應用的相應性能水平。



圖4:建議使用 EMC 電路,以滿(mǎn)足更高的浪涌要求



浪涌預測和系統評估

電壓浪涌的性質(zhì)是,任何單一浪涌都不可預測。也就是說(shuō),仍然可以對系統進(jìn)行評估,預測它可能受到的浪涌類(lèi)型,并建議適當程度的浪涌保護。相應的保護水平可能會(huì )有所不同??梢灶A見(jiàn)到一些系統會(huì )經(jīng)歷大部分常見(jiàn)且相對容易處理的過(guò)壓。例如,附近其他設備的打開(kāi)和關(guān)閉。另一種情況可能是系統位于存在大量雷電活動(dòng)的地區。在這種情況下,可能會(huì )建議采取保護措施以應對更嚴重的尖峰。


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