電源的雷電浪涌效應及加固技術研究

摘 要:雷電浪涌是雷電對電子系統的一種重要的作用形式。雷電對電子系統的影響主要表現在對電源電路的浪涌破壞和干擾上。為研究雷電浪涌對電源的沖擊效應，進行了雷電浪涌對直流電源的沖擊實驗。實驗表明，雷電浪涌對直流電源有很大的干擾作用，可使電源產生大的波動或高頻噪聲。在雷電流涌沖擊實驗的基礎上，對直流電源進行了加固實驗，并取得了良好的效果。關鍵詞:雷電浪涌; 電源; 沖擊效應; 防護

中圖分類號:TN86-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0192-03

Study on Effects of Thunder Surge on Power Supply and Hardening of Power Supply

HOU Min-sheng， CHEN Duan-yang， ZHU Ying

(Beijing Research Center of Aeronautical Technology， Beijing 100076， China)

Abstract: Thunder surge is an important form that the thunder acts on electronic systems. The effects of the lightning on electronic systems are the surge destruction and interference to power supply. In order to study the striking effects of thunder surge on power supply， the striking experiments on power supply were carried out. The experiments show that thunder surge has a strong interference effect on the power supply， and can generate a distinct fluctuation or high-frequency noise. Based on the experiments， the hardening experiments for the DC power supply were made， and a good result was obtained.

Keywords: thunder surge; power supply; striking effect; protection

0 引 言

雷電是一種常見的自然現象。雷電通過避雷針、避雷帶和避雷網后大約還有30%～50%的雷電流通過電源線或信號線等進入電子系統[1]，在電路中形成大的電流或電壓波動，即雷電浪涌[2]。

據統計，電子系統的干擾70%的是從電源線耦合進來的[3]，雷電對電子系統的影響也主要表現在對電源電路的浪涌破壞和干擾上。本文通過雷電浪涌對直流電源的沖擊實驗，研究了雷電浪涌對直流電源的效應及防護技術。

1 雷電浪涌沖擊實驗配置

雷電浪涌沖擊實驗裝置主要由浪涌發生器和被試直流電源組成[4]。實驗采用注入法，將浪涌發生器產生的雷電浪涌電壓直接輸入到電源的輸入端。

雷電浪涌發生器采用日產LSG8015，符合IEC61000-4-5標準，開路電壓為1.2/50 μs波形，短路電流為8/20 μs波形，允許誤差30%，采用共模、差模2種注入方式，注入相位0～2π連續可調，浪涌極性可變。

2 實驗結果與分析

2.1 一般交流整流濾波電源

實驗對象為12 V/3 A橋式整流、電容濾波電源，采用220 V/8 V的電源變壓器，次極最大輸出電流為3 A，濾波電容選用2 000 μF/50 V的電解電容，負載電阻為1 kΩ。浪涌沖擊實驗表明，來自電源線的雷電浪涌作用于電源變壓器輸入端時，變壓器輸出端會出現幅值降低、作用時間延長、波形畸變的雙極性浪涌;經整流濾波后的輸出電壓波形有大約5 V的過沖，輸出波形的下降時間延長，輸出波形如圖1所示。

圖1 雷電浪涌時電源輸出波形

電源變壓器輸出波形發生畸變的原因是電源變壓器響應速度慢，而雷電浪涌的上升沿陡、峰值高，使變壓器迅速飽和。

輸出電壓波形產生過沖，是濾波電容作用的結果，且電容值越大過沖越明顯。浪涌開始時存在的大電流易使濾波電容擊穿[5]。

2.2 開關電源

實驗對象選用ACE-870型開關電源，該電源有2路輸出:5 V/3 A和12 V/2 A，負載電阻為1 kΩ。

在輸出端與輸入端共地和浮地情況下，分別進行相位為π/4的2 kV差模和共模浪涌注入。圖2，圖3分別為輸出端浮地時差模和共模注入，5 V端輸出電壓的波形。

圖2 差模注入時輸出電壓波形

圖3 共模注入時輸出電壓波形

實驗表明，雷電浪涌在開關電源輸出端產生了較大的高頻噪聲，電源質量變差，很容易對供電負載電路產生干擾。由圖3可知，開關電源對共模浪涌比差模浪涌敏感，而且輸出與輸入共地情況形成的干擾比輸出浮地時強。

開關電源輸出端的高頻噪聲由2部分組成:一部分是經開關變壓器耦合到輸出回路的干擾信號;一部分是經變壓器初次級間的分布電容進入輸出回路的噪聲。當輸出浮地時，第2部分噪聲對地不能形成回路，在負載上不能產生干擾;當輸入與輸出共地時，兩部分噪聲都與地形成回路。因此，浮地情況干擾比共地情況小。由于整流橋輸入端并聯了壓敏電阻(MOV)，當差模輸入時，MOV分掉一部分浪涌電流;當共模輸入時，MOV不起作用。因此，共模浪涌比差模浪涌干擾效果顯著。

3 加固實驗

3.1 旁路保護法

對于雷電浪涌，一般采用旁路保護法，即并聯過壓保護器件進行加固[6]。常用的過電壓保護器件有:火花隙、氣體放電管、壓敏電阻(MOV)、瞬態抑制二極管(TVS)和電流型硅浪涌保護器件(CSSPD)[7]?；鸹ㄏ逗蜌怏w放電管屬于電壓開關型元件，這種保護器件在沒有過電壓時呈現出高阻抗，一旦加有瞬態過電壓，其阻抗就突變為低值。此類元件的開關電壓較高，一般用于電氣設備中。CSSPD、MOV和TVS屬于限壓型或箝壓型，當沒有過電壓時呈現出高阻抗，一旦瞬態過電壓出現，其阻抗隨電壓或電流的增加而減小。這類器件體積相對較小，箝位電壓低，多用于電子電路中對低壓IC的保護[8]。

3.2 一般交流整流濾波電源

對電源變壓器加固，是在其輸入端并聯雙極性通流量大的MOV器件來吸收雷電浪涌能量，對整流電路的加固是在輸出濾波電容兩端并聯單極性的反應速度極快的箝位電壓為13.6 V的TVS。

圖4給出了加固后整流電源的輸出電壓波形，加固后浪涌電壓從1 kV升至10 kV時，輸出電壓均穩定在13.6 V以下，且過沖電壓下降時間很短。

圖4 加固后電源輸出波形

3.3 開關電源

對開關電源的加固，主要是設法消除開關電源輸出端的高頻噪聲。根據高頻噪聲的產生機理，可采取如下加固措施[9]:

(1) 盡可能使輸出浮地;

(2) 對開關變壓器的初次級分別進行屏蔽以減小分布電容;

(3) 在電源的兩個輸入端分別對地加裝MOV以吸收共模浪涌;

(4) 電源輸出端并聯TVS和0.1 μF的聚丙烯電容。

圖5是進行加固后2.5 kV共模浪涌作用下開關電源的輸出波形。與圖3相比，加固后干擾幅度明顯下降，高頻成分大大減小。

圖5 加固后開關電源輸出波形

4 結 語

雷電浪涌對直流電源的沖擊效應實驗表明，雷電浪涌對直流電源有很強的干擾和破壞作用。通過并聯壓敏電阻(MOV)和瞬態抑制二極管(TVS)等浪涌保護器件，對變壓器初次級線圈進行屏蔽， 并聯聚丙烯電容等措施，可大大減弱雷電浪涌對直流電源的影響。

參考文獻

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