电子设备雷击浪涌电路知识。
雷击浪涌抗扰度试验对不同产品有不同的参数要求,上图中的参数可根据产品标准要求不同,稍有改动。 基本参数要求: (1)开路输出电压:0.5~6kV,分5等级输出,最后一级由用户与制造商协商确定; (2)短路输出电流:0.25~2kA,供不同等级试验用; (3)内阻:2 欧姆,附加电阻10、12、40、42欧姆,供其它不同等级试验用; (4)浪涌输出极性:正/负;浪涌输出与电源同步时,移相0~360度; (5)重复频率:至少每分钟一次。 雷击浪涌抗扰度试验的严酷等级分为5级: 1级:较好保护的环境; 2级:有一定保护的环境; 3级:普通的电磁骚扰环境、对设备未规定特殊安装要求,如工业性的工作场所; 4级:受严重骚扰的环境,如民用空架线、未加保护的高压变电所。 X级:由用户与制造商协商确定。 图中18uF电容,可根据严酷等级不同,选择数值也可不同,但大到一定值之后,基本上就没有太大意义。 10欧姆电阻以及9uF电容,可根据严酷等级不同,选择数值也不同,电阻最小值可选为0欧姆(美国标准就是这样), 9uF电容也可以选得很大,但大到一定值之后,基本上就没有太大意义。 3、共模浪涌抑制电路 防浪涌设计时,假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而,这两部分并非真正独立,因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。 为了利用差模电感,在设计过程中,共模与差模不应同时进行,而应该按照一定的顺序来做。首先,应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络(Differential Mode Rejection Network),可以将差模成分消除,因此就可以直接测量共模噪声了。 如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围,那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以下,因此超标的仅是差模成分,可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功率电源系统,共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题,因为差模辐射的源阻抗较小,因此只有极少量的电感是有效的。 对4000Vp以下的浪涌电压进行抑制,一般只需采用LC电路进行限流和平滑滤波,把脉冲信号尽量压低到2~3倍脉冲信号平均值的水平即可。电感很容易饱和,因此,L1、L2一般都采用一种漏感很大的共模电感。 用在交流,直流的都有,通常我们在电源EMI滤波器,开关电源中常见到,而直流则少见,在汽车电子中能够看到用在直流侧。 漏感的重要性 漏感是如何形成的呢?紧密绕制,且绕满一周的环形线圈,即使没有磁芯,其所有磁通都集中在线圈“芯”内。但是,如果环形线圈没有绕满一周,或者绕制不紧密,那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。 共模扼流圈有两个绕组,这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反,从而使磁场为0。如果为了安全起见,芯体上的线圈不是双线绕制,这样两个绕组之间就有相当大的间隙,自然就引起磁通“泄漏”,这即是说,磁场在所关心的各个点上并非真正为0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上,与差模有关的磁通必须在某点上离开芯体,换句话说,磁通在芯体外部形成闭合回路,而不仅仅只局限在环形芯体内。 一般CX电容可承受4000Vp的差模浪涌电压冲击,CY电容可承受5000Vp的共模电压冲击。正确选择L1、L2和CX2、CY参数的大小,就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌电压。但如果两个CY电容是安装在整机线路之中,其总容量不能超过5000P,如要抑制浪涌电压超过4000Vp,还需选用耐压更高的电容器,以及带限幅功能的浪涌抑制电路。 所谓抑制,只不过是把尖峰脉冲的幅度降低了一些,然后把其转换成另一个脉冲宽度相对比较宽,幅度较为平坦的波形输出,但其能量基本没有改变。 两个CY电容的容量一般都很小,存储的能量有限,其对共模抑制的作用并不很大,因此,对共模浪涌抑制主要靠电感L1和L2,但由于L1、L2的电感量也受到体积和成本的限制,一般也难以做得很大,所以上面电路对雷电共模浪涌电压抑制作用很有限。 图(a)中L1与CY1、 L2与CY2,分别对两路共模浪涌电压进行抑制,计算时只需计算其中一路即可。Ø对L1进行精确计算,须要求解一组2阶微分方程,结果表明:电容充电是按正弦曲线进行,放电是按余弦曲线进行。但此计算方法比较复杂,这里采用比较简单的方法。 共模信号是一个幅度为Up、宽度为τ的方波,以及CY电容两端的电压为Uc,测流过电感的电流为一宽度等于2τ的锯齿波: 流过电感的电流为: 流过电感的最大电流为: 在2τ期间流过电感的平均电流为: 由此可以求得CY电容在2τ期间的电压变化量为: 上面公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的计算公式,式中,Uc为CY电容两端的电压,也是浪涌抑制电路的输出电压,∆Uc为CY电容两端的电压变化量,但由于雷电脉冲的周期很长,占空比很小,可以认为Uc = ∆Uc,Up为共模浪涌脉冲的峰值,q为CY电容存储的电荷,τ为共模浪涌脉冲的宽度,L为电感,C为电容。 根据上面公式,假设浪涌峰值电压Up=4000Vp,电容C=2500p,浪涌抑制电路的输出电压Uc=2000Vp,则需要电感L的数值为1H。显然这个数值非常大,在实际中很难实现,所以上面电路对雷电共模抑制的能力很有限,此电路还需进一步改进。 差模浪涌电压抑制,主要是靠图中的滤波电感L1、L2 ,和滤波电容CX ,L1、L2滤波电感和CX滤波电容等参数的选择,同样可以用下面公式来进行计算。 |