通過6個實例電（diàn）路分析，詳（xiáng）解雷擊浪湧的防護

1、電子（zǐ）設備雷擊浪湧抗（kàng）擾度試（shì）驗標準

電子設備雷擊浪湧抗擾度試驗的國家標準為GB/T17626.5（等同於國（guó）際標準（zhǔn）IEC61000-4-5 ）。

標準主要是模擬間接雷擊產生的各種情況：

  （1）雷電擊中外部線路，有大量電流流入外部線（xiàn）路或接地電阻，因（yīn）而產生的幹擾電

  （2）間接雷擊（如雲（yún）層間或雲層內的（de）雷擊）在外部線路上（shàng）感應出（chū）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（zài）外部線路（lù）上感應出電（diàn）壓。

  （4）雷電擊中鄰近地麵，地電（diàn）流通過公共接地係統時所引進的幹擾。

標準除了模擬雷（léi）擊外，還模擬變（biàn）電所（suǒ）等場合（hé），因開關動（dòng）作而（ér）引進的幹擾（開（kāi）關切換（huàn）時（shí）引起電壓瞬變），如：

  （1）主電源係統切換（huàn）時產生的幹擾（如電容器組的切換）。

  （2）同一電網，在靠近設備（bèi）附近的一些較小開關跳動時的幹擾（rǎo）。

  （3）切換伴有諧振線路的晶閘管設備。

  （4）各種係統性的故障，如設備接地網絡或接地係統間的短路和飛弧故障。

標準描述了兩種不同的波形發生器：一種是雷擊（jī）在電（diàn）源線上感應生產的波形；另一種是在通信線路上感應產生的（de）波形（xíng）。

這兩種線路都屬於空架線，但線路的阻（zǔ）抗各不相同：在電源線上感應產生（shēng）的浪湧波形比較窄一些（50uS），前（qián）沿要陡（dǒu）一（yī）些（1.2uS）；而在通信線上感應產生的（de）浪湧波形比較寬一些，但前沿要緩一些。後麵我們主要以雷擊在電源線上感應生產的波形（xíng）來對電路進行分析（xī），同時也對通信線路的防雷技術進（jìn）行簡單介紹（shào）。

2、模擬雷擊浪湧脈衝生成（chéng）電路的工作原理

上圖是模擬雷電擊到配電設備時（shí），在輸（shū）電（diàn）線（xiàn）路中感應產生的浪湧電壓，或雷電落地後雷電流通過公共地電阻產生的反擊高壓的脈衝產生電路。4kV時的單脈衝能量為100焦（jiāo）耳。

圖中Cs是儲能電容（大約為10uF，相當於雷雲電容）；Us為高壓電（diàn）源；Rc為充電電阻；Rs為脈衝持續（xù）時間形成電阻（zǔ）（放電曲線形（xíng）成電阻）；Rm為阻（zǔ）抗匹配電阻Ls為電流上升形成電（diàn）感。

雷擊浪湧抗擾度試驗對不同產品（pǐn）有不同的參數要求，上圖中的參數可根據（jù）產（chǎn）品標準要求（qiú）不同，稍有改動。

基本參數要求：

（1）開路輸（shū）出電壓：0.5～6kV，分5等（děng）級輸（shū）出，最（zuì）後一級由用戶與製造商協商確定；

（2）短路輸出電流：0.25～2kA，供不同等級試驗用;

（3）內阻（zǔ）：2 歐姆（mǔ），附加電阻10、12、40、42歐姆，供其它不同等級試驗

（4）湧輸出極性：正/負；浪湧（yǒng）輸出與電源同步時，移相（xiàng）0～360度；

（5）重複頻率：至少每（měi）分鍾一次。

雷擊浪湧抗擾（rǎo）度試驗的（de）嚴（yán）酷等級分（fèn）為（wéi）5級:

1級：較好保護（hù）的環境；

2級：有一定保護的環（huán）境；

3級：普通（tōng）的電磁騷擾環境、對設備未規定特殊安裝要求，如（rú）工業（yè）性（xìng）的工作場所；

4級：受嚴重（chóng）騷擾的環境，如民用空架線、未加保護的高（gāo）壓變電所。

X級：由用戶與（yǔ）製造商協商確定。

圖（tú）中18uF電容（róng），可根據嚴（yán）酷等級不同，選擇數值也可不同，但（dàn）大到（dào）一定值之後，基本上就（jiù）沒有太（tài）大意（yì）義。

10歐姆電阻以及9uF電容，可根據嚴酷等（děng）級不同，選擇（zé）數值也不同（tóng），電阻最小值可（kě）選為0歐（ōu）姆（美國標準就是這樣（yàng））， 9uF電容也可以選得很（hěn）大，但大（dà）到（dào）一（yī）定值之後，基本上就沒有太大意義。

3、共模浪湧抑製電路

防浪（làng）湧（yǒng）設計時，假定共模與差模這兩部（bù）分是彼此（cǐ）獨立的。然而，這兩部分並非真正（zhèng）獨立，因為共模扼流圈可以提供相當大的差（chà）模電感。這部分差模電感可由分（fèn）立的差模電感來模擬。

為了利用差模電感，在設計過程（chéng）中（zhōng），共模與差模不應同時進行，而應該（gāi）按照一定的順序來做。首先，應該（gāi）測量共模噪聲並將其濾除（chú）掉。采用差模抑製網絡（Differential Mode Rejection Network），可（kě）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（jì）的共模濾波器要同時使差模（mó）噪聲不（bú）超過允許範（fàn）圍，那麽就應測量共模與差模的混（hún）合噪聲。因為（wéi）已知共模成分在噪聲容限以下，因（yīn）此超標（biāo）的僅是差模成分，可用共模濾（lǜ）波器的差模（mó）漏感來衰減。對於低功率電源（yuán）係統，共模扼流圈（quān）的差模電感足以解決（jué）差模輻射問題，因為差（chà）模輻射的源阻抗較小，因此隻有極少量的電感是有效的。

對4000Vp以下的浪湧電壓進行抑製，一般隻需（xū）采用LC電路進（jìn）行限流和平滑濾波，把脈衝信號盡量壓低到2~3倍脈衝信號（hào）平均值的水平即可。電感（gǎn）很容易飽和，因此，L1、L2一般都采用一種漏感（gǎn）很大的共模電（diàn）感（gǎn）。

用在交流，直流（liú）的都有，通常我們在電源EMI濾波（bō）器，開關電源中常見到，而（ér）直流側少見，在汽車電子中能（néng）夠（gòu）看到用（yòng）在直流側。
加入（rù）共模（mó）電感是為了消除並行線路上的（de）共模幹擾（有兩線的，也有多線的）。由於電路（lù）上兩線阻抗的不平衡，共模幹擾最終體（tǐ）現在差模上。用差模濾波方法很難濾除。
共（gòng）模電感到底需要用在哪。共模幹擾通常是電（diàn）磁輻射，空間耦合（hé）過來的，那麽無論是交流還是直流（liú），你（nǐ）有長線傳輸，就涉及到（dào）共（gòng）模濾波就得加共模電感。例如：USB線好多就在線上加磁（cí）環（huán）。 開關（guān）電源入口，交流電是遠距離傳輸過來的就需要加（jiā）。通常直流側不需要遠傳就（jiù）不需要加（jiā）了。沒有共（gòng）模幹擾，加了就（jiù）是浪費，對電路沒有增益。

電源濾（lǜ）波器（qì）的（de）設計通常可從共（gòng）模和（hé）差（chà）模兩方麵來考慮。共模（mó）濾（lǜ）波器最重要的部分（fèn）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點在於它的電感值（zhí）*，而且體積又小，設計共模（mó）扼流（liú）圈時（shí）要考慮的一個重要（yào）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（de）1%，實際（jì）上漏感為共模（mó）電感（gǎn）的0.5% ～4%之間（jiān）。在設計*性能的（de）扼流圈時，這個誤差的影響可能是不容忽視的。

漏（lòu）感的重要（yào）性

漏感是如何形成的呢？緊密繞製，且繞滿一周的環形線（xiàn）圈（quān），即使沒（méi）有磁芯，其所有磁通都集中在線圈“芯"內。但是，如果環形線圈沒有繞滿一周，或者繞（rào）製不緊密，那麽磁通就（jiù）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（gè）繞組（zǔ），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（shǐ）磁場為0。如果為了安全起見，芯體上的線圈不是雙線繞製，這樣（yàng）兩個繞組之間就有相當大（dà）的（de）間隙，自然就引起磁通“泄漏"，這即是說，磁場在所關（guān）心的各個點上並非真正為0。共模扼流（liú）圈的漏感（gǎn）是差模電感。事實上，與差模有關的磁通必須（xū）在某點上（shàng）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（jǐn）隻局限在環形芯體內。

一般CX電容可承受4000Vp的差（chà）模浪湧電壓衝擊，CY電容可承受5000Vp的共模電壓衝擊。正確選擇L1、L2和CX2、CY參數的大小，就可以抑製4000Vp以下的共模和差模浪湧電壓。但如果兩個CY電容是安裝在整機線路之中（zhōng），其總容量不能超過5000P，如要抑製浪湧電壓超過4000Vp，還需（xū）選用耐壓更高的電容器，以及帶限幅功能的浪湧抑製電（diàn）路。

所謂抑製，隻（zhī）不過是把尖峰脈衝的幅度降低了一些，然後（hòu）把其轉換成另一個脈衝寬度相對比較寬，幅度較為平坦的波形輸出，但其（qí）能量基本沒有改變。

兩個CY電容的容量一般都很（hěn）小，存（cún）儲的能量有限，其對共模抑製的作用並不很大，因此，對共模浪湧（yǒng）抑製主要靠電（diàn）感（gǎn）L1和L2，但由於L1、L2的（de）電感量（liàng）也受到體積和成本的限（xiàn）製，一般也難以（yǐ）做得很大，所以上麵電（diàn）路對雷電共模浪湧（yǒng）電壓抑製作用很有限（xiàn）。

圖（a）中L1與CY1、 L2與CY2，分別對兩路共模浪湧電壓（yā）進行抑製，計（jì）算時隻需計算其中一路即可。Ø對L1進（jìn）行精確計算，須要求解一組2階微分（fèn）方程，結果（guǒ）表明：電容充（chōng）電是按正弦曲線進行，放電是按（àn）餘弦曲線進行。但此計算方法比較複雜，這裏采用比較簡單（dān）的方法（fǎ）。

共模信號是一個幅（fú）度為（wéi）Up、寬度為（wéi）τ的方（fāng）波，以及（jí）CY電容兩端的（de）電壓為Uc，測（cè）流過電感的電流（liú）為一寬度等（děng）於2τ的鋸（jù）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（píng）均電流為：

由此可以求（qiú）得CY電容在（zài）2τ期間的電壓變化量為：

上麵公式是計算共模浪湧抑製電路中電感L和（hé）電容CY參數的計算公式，式中，Uc為CY電容兩（liǎng）端（duān）的電（diàn）壓，也（yě）是（shì）浪湧抑製（zhì）電路的輸出電壓，∆Uc為CY電容（róng）兩端的電壓變化量，但由（yóu）於雷電脈衝的周期（qī）很長，占空比很小，可以認為Uc = ∆Uc，Up為共模浪湧脈衝的峰值，q為CY電容（róng）存儲的（de）電荷，τ為共模浪湧脈衝的寬度，L為電感（gǎn），C為電容。

根據上麵（miàn）公式，假設浪湧峰值電壓Up=4000Vp，電容C=2500p，浪湧抑製電路的（de）輸出電壓Uc=2000Vp，則需要電感L的數（shù）值為1H。顯然這個數值（zhí）非常（cháng）大（dà），在實（shí）際中很難實現，所以（yǐ）上麵電路對雷電共模抑（yì）製（zhì）的能力很有限，此電路還需進一步改進（jìn）。

差模浪湧電壓（yā）抑製，主要是靠圖中（zhōng）的濾波電感L1、L2 ，和濾波電容CX ，L1、L2濾波電感和CX濾波電容等參數的選擇，同樣可以用下麵公式來進行計算。

但（dàn）上式中的L應該（gāi）等於L1和L2兩個（gè）濾波電感（gǎn）之（zhī）和，C=CX，Uc等於差模抑製（zhì）輸出電壓。一般，差模抑製輸出電壓應不大於600Vp，因為很多半導體器件和電容的（de）最大耐壓都在此電壓附近，並且，經過L1和L2兩（liǎng）個濾波電感（gǎn）以及CX電（diàn）容濾波之後，雷電差模浪湧電壓的幅度雖然降低了，但能量基本上沒有降低，因為經過濾波之後，脈衝寬度（dù）會增加，一旦（dàn）器件被擊穿，大部分都無法恢複到原來的（de）狀態。

根據上麵公式，假設浪湧峰值電壓Up=4000Vp，脈衝寬度為50uS，差模浪湧抑製電路的輸出電（diàn）壓Uc=600Vp，則需要LC的數值為14mH×uF。顯然，這個數值對於一般電子產品的浪（làng）湧抑（yì）製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（yīn）此（cǐ）最好選（xuǎn）用一種有3個窗口、用矽鋼片作（zuò）鐵芯，電感量相對較大（大於（yú）20mH）的電感作為浪湧電感（gǎn），這種電感共模和差模電感（gǎn）量都很大，並且不容（róng）易飽和。 順便指出，整流電路後麵的電解濾波電容，同樣也具有抑製浪湧脈衝的功能，如果把此功能也算上，其輸出電壓（yā）Uc就不能選600Vp，而（ér）隻能選為電容（róng）器的最高（gāo）耐壓Ur（400Vp）。

4、雷擊浪湧脈衝電壓抑製常用器件 

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（làng）湧（yǒng）抑製電（diàn）感線圈、X類浪（làng）湧抑製電容等，各種（zhǒng）器件要組合使用。

氣體放電管的種類很多，放電電流一般（bān）都很大，可達數十kA，放電電（diàn）壓比較高，放電管從點火到放電需要一定的時間（jiān），並且存在（zài）殘存電壓，性能不太穩定；氧化鋅壓敏電（diàn）阻伏安特性比較好，但受功率的限製，電流相對比放（fàng）電管小，多次被雷電（diàn）過流擊穿後，擊穿電（diàn）壓值（zhí）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（dōu）很（hěn）小，成（chéng）本比較高；浪湧抑製線圈是最基（jī）本的防雷器件（jiàn），為防流過電網交流電飽和，必須選用三窗（chuāng）口鐵芯；X電容也（yě）是必須的，要選用容許（xǔ）紋波電流較大的電容（róng）。

氣體（tǐ）放電管

氣體放電（diàn）管指（zhǐ）作（zuò）過電壓保護用的避雷.管.或天線開關管一類，管內有二個或多個電極，充有一定（dìng）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（tā）用在通信係統的防雷保護。

放電管（guǎn）的工作原理是氣體間（jiān）隙放電i當放電管（guǎn）兩（liǎng）極之間施加一（yī）定電壓時，便在極間（jiān）產生不均勻電場（chǎng）：在此電場作用下，管內氣體開始遊（yóu）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（xì）將放電擊穿，由原來的絕緣狀（zhuàng）態轉化為導電狀態，導通後放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道（dào）所決定的殘壓水平，這種殘（cán）壓一般很低，從而使得與放電管並（bìng）聯的電（diàn）子（zǐ）設備免受過電（diàn）壓的損壞。

氣（qì）體放電管有的是以玻璃作為管子的封裝外殼．也有的用陶（táo）瓷作為封裝外殼，放電管內充入電氣性能（néng）穩定的惰性氣體（如氬氣和氖氣等），常用（yòng）放電管的放電電極（jí）一般為兩個、三個（gè），電極之間由（yóu）惰性（xìng）氣體隔開。按電極個數的設置來劃分，放電管可分（fèn）為二極、三極放電管。

陶（táo）瓷二極放電（diàn）管（guǎn）由純鐵電（diàn）極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要部件構成。管內放電電極上（shàng）塗覆有放射性氧化物，管體內壁也塗覆有放（fàng）射性元素，用於改善（shàn）放電特性。

放電（diàn）電極主（zhǔ）要有杆形和杯形兩種結構，在（zài）杆形電（diàn）極的（de）放（fàng）電管（guǎn）中，電（diàn）極與管體壁之間（jiān）還要加裝一個圓筒熱屏，該（gāi）熱屏（píng）可以使陶瓷管體受熱趨於均勻，不致出（chū）現局部過熱而（ér）引起（qǐ）管斷裂。熱屏內（nèi）也塗覆放射性氧化（huà）物，以（yǐ）進一步減小放電分散性。在杯形電極的放電管中，杯（bēi）口處裝（zhuāng）有鉬網，杯內裝有銫元素，其作用也是減小（xiǎo）放電（diàn）分散性。

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

主要參數：

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

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

（3）標（biāo）稱衝擊放電電流。8/20us波形（前沿（yán）8us，半峰持續（xù）時間20us）的額定（dìng）放電電流，通常（cháng）放電10次。

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

（5）最大單（dān）次衝（chōng）擊放電電流。對8/20us電（diàn）流（liú）波的單次最大放電電流。

（6）耐（nài）工頻電流值。對8/20us電流波的單次最（zuì）大放電電流。對50Hz交流電，能經（jīng）受（shòu）連續9個周（zhōu）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（liú）。對50Hz交流電，能經受連續（xù）9個（gè）周波的最大電流的有效值（zhí）。

（8）電容。放電管電極間的電容，一般（bān）在2～10pF之間（jiān），是所有瞬變幹擾吸收（shōu）器件中（zhōng）最小的。

金屬氧化物壓敏電阻

壓敏電阻一（yī）般都（dōu）是以氧化鋅為主要（yào）成（chéng）分，另加少量的其它金屬氧化物（顆粒），如：鈷、猛、鉍等壓製而成。由於兩種不同性質（zhì）的（de）物體組合在一起，相當於一個PN結（二極（jí）管），因此（cǐ），壓敏（mǐn）電阻相當於眾多的PN結串、並聯組（zǔ）成。

5、超高浪湧電壓抑製電路 

實例1

上圖是一個可抗擊較強雷電浪湧脈衝電壓的電原理圖，圖中：G1、G2為氣體放電管，主要用於對高壓共模浪湧脈衝抑製，對高壓差（chà）模浪湧脈衝也同樣具有抑製能力；VR為壓敏電（diàn）阻（zǔ），主要用（yòng）於對高（gāo）壓差模浪湧脈（mò）衝抑製。經過G1、G2和VR抑製後，共模和差模浪湧脈衝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擊穿後會產生後續電流，一定要加保險絲以防後續電流過（guò）大使線路（lù）短路

實例2

增加了兩個壓敏電阻VR1、VR2和一（yī）個放電管G3，主要目的是加強對共模浪湧電壓的抑製，由於壓敏電阻有漏電流，而一般電子產（chǎn）品都對漏（lòu）電（diàn）流要求很嚴（yán）格（gé）（小於0.7mAp），所以圖中加了（le）一個放電管（guǎn）G3，使平時電路對（duì）地的漏電流等於0。G3的擊穿電壓要遠小於G1、G2的擊穿電壓，采用G3對漏（lòu）電隔離後，壓敏電阻VR1或VR2的擊穿電壓可相（xiàng）應選得（dé）比較低，VR1、VR2對（duì）差模浪湧電壓也有很強的抑製作用。

實例3

G1是一（yī）個三端放電（diàn）管，它相當於把兩個二端放電管安裝在一（yī）個殼體中（zhōng），用它（tā）可以代替上麵兩個實例中的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（de），各放電管的用途也不*相同。

實例4

增加了（le）兩個壓（yā）敏電阻（zǔ）（VR1、VR2），主要目的（de）是為了隔斷G1擊穿後產生的後續電流，以防（fáng）後續電流過大使輸入電路短路，但（dàn）由於VR1、VR2的最大峰值電流一般隻有G1的幾十分（fèn）之（zhī）一，所以，本實例對（duì）超高浪湧電壓的抑製能力相對實例3要的抑製能力差很多。

實例5 直接在PCB板（bǎn）上製作（zuò）避雷裝置

在（zài）PCB板上直接製作放電避雷（léi）裝（zhuāng）置，可以代替防雷放電管，可以抑製數萬伏共（gòng）模或差模浪湧電壓衝擊，避雷裝置（zhì）電極之間距離一般要求比較嚴格，輸入電壓為AC110V時（shí），電極之間距離可選4.5mm，輸入電壓為AC220V時（shí），可選6mm；避雷裝置的中間（jiān）電極一定要接到三端電源線（xiàn）與PCB板連接的端（duān）口上。

實例6 PCB板氣隙放電裝置代替放電管

在PCB板上直接製作氣隙（xì）放電裝置，正常放電電壓為每毫米（mǐ）1000~1500V，4.5mm爬電距離的放電電（diàn）壓大約為4500~6800Vp，6mm爬電（diàn）距離的放電電壓大約為（wéi）6000~9000Vp。

6、各種（zhǒng）防雷器件的連接 

避雷器件的安裝順（shùn）序不能搞錯，放電管必須（xū）在最前麵，其次是（shì）浪湧抑製電感和壓敏電阻（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。