開關(guān)電源中浪涌尖峰電壓的處理措施

熊昶智 游冬

摘? 要：電子設(shè)備供電環(huán)境也越來越復(fù)雜，浪涌尖峰電壓在開關(guān)電源中也越來越常見。在系統(tǒng)供電設(shè)計時，需著重考慮開關(guān)電源的抗浪涌尖峰電壓能力。本文專門討論開關(guān)電源中浪涌尖峰電壓的處理措施，希望能為提高開關(guān)電源的安全性、可靠性提供一些設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;浪涌尖峰電壓;處理措施

引言

浪涌尖峰電壓是指超過正常供電范圍的瞬時過電壓，在多個標(biāo)準(zhǔn)中均對浪涌尖峰電壓要求進(jìn)行相應(yīng)規(guī)定，如GJB151B-2013和HB6167.24中均對不同應(yīng)用環(huán)境提出了不同的抗浪涌尖峰電壓要求。因此，能否有效提升開關(guān)電源對浪涌尖峰電壓的防范能力，是提高開關(guān)電源環(huán)境適應(yīng)性、安全性、可靠性的關(guān)鍵。

一、浪涌電壓的基本要素

浪涌尖峰電壓是開關(guān)電源當(dāng)中的一種常見現(xiàn)象。HB6167.24《雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗》中規(guī)定，由雷電感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌電壓可分為5個電平等級，其中，電壓峰值最高可達(dá)3200V，電流峰值最高可達(dá)5000A，持續(xù)時間最長可達(dá)500μs以上。同樣，GJB151B-2013中也規(guī)定了供電系統(tǒng)中形成的浪涌尖峰電壓試驗波形，具體波形如下圖所示。

VPeak=400V;tr= 1.5±0.5μs;tf= 3.5±0.5μs;td= 5.0μs±22%;

Vsag≤120 V;tsag≤20μs。

由上述標(biāo)準(zhǔn)可知，浪涌電壓峰值最高可達(dá)幾千伏，持續(xù)時間通常為幾微秒到幾百微秒之間，具有電壓峰值高、持續(xù)時間短的特點。

二、浪涌尖峰電壓的形成原因

浪涌尖峰電壓產(chǎn)生的原因主要有兩個：

一個是雷電，主要通過兩個渠道對電子設(shè)備產(chǎn)生影響。一是雷電直接擊中設(shè)備上的避雷針，產(chǎn)生的瞬變電磁場，對金屬回路產(chǎn)生壓電流或電動勢。二是雷電對線路附近的大地放電，由電磁感應(yīng)產(chǎn)生雷電沖擊或浪涌尖峰電壓，并沿著線路入侵到與之相連的電子設(shè)備。

另一個是供電系統(tǒng)上大型負(fù)荷通斷時產(chǎn)生的。通常供電系統(tǒng)中存在寄生電感或濾波電感，當(dāng)大型負(fù)荷接通或斷開時，會導(dǎo)致流過電感上的電流急劇變化，產(chǎn)生阻礙電流變化的反向電動勢，形成尖峰電壓，其峰值大小主要與電流突變的速率和電感量大小相關(guān)。

三、浪涌電壓的處理措施

開關(guān)電源通常具有較寬的輸入電壓，對輸入電壓的容差范圍較大，同時根據(jù)浪涌尖峰電壓峰值高，持續(xù)時間短的特點，通常采用能量吸收型方案對浪涌尖峰電壓進(jìn)行濾除，即采用能量吸收型器件對浪涌能量進(jìn)行吸收，實現(xiàn)電壓鉗位，保護(hù)后級電路的目的。目前，常用的能量吸收型元器件主要有：氣體放電管、壓敏電阻、TVS管。

（一）氣體放電管

其工作原理為：當(dāng)兩極電壓足夠大時，極間間隙擊穿放電，由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電狀態(tài)，將兩極間的電壓鉗位至一個低壓范圍內(nèi)，一般在20V～50V之間。其優(yōu)點是通流量較大;絕緣電阻高;極間電容小。并接在線路上基本不會對主回路造成影響。其缺點是體積較大;響應(yīng)時間慢，通常為幾百納秒到幾微秒之間;壽命相對較短，長時間使用后存在維護(hù)及更換的問題。

在電路設(shè)計時，除了關(guān)注氣體放電管的直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量等參數(shù)外，其續(xù)流遮斷也是一個重點考慮因素。如前所述，氣體放電管在續(xù)流狀態(tài)下的電壓一般為20V～50V之間，不能直接應(yīng)用于大于15V的供電線上。

（二）壓敏電阻

其工作原理是利用壓敏電阻的非線性特征，當(dāng)電壓尖峰出現(xiàn)在壓敏電阻的兩端時，壓敏電阻將通過改變阻值，將電壓鉗位至相對固定的電壓值，實現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。

壓敏電阻的響應(yīng)時間為納秒級，比空氣放電管快，比TVS管稍慢;通流量較大，通常比氣體放電管小，比TVS管大;壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級范圍，不宜直接應(yīng)用在高頻線路中，同時，較大的結(jié)電容也會增大漏電流，在交流防護(hù)中，需對漏電流進(jìn)行充分考慮。壓敏電阻也存在壽命較短的缺陷，長時間使用后存在維護(hù)更換的問題。

（三）TVS管

TVS管屬于限壓型器件，作用與壓敏電阻類似，同樣是利用器件的非線性特征將過電壓鉗位到一個較低的電壓值。其主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結(jié)電容、響應(yīng)時間。

TVS管的響應(yīng)時間通常為ps級，是限壓型器件中最快的。TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體上可分為兩類：高結(jié)電容型TVS管，一般在幾百pF～幾千pF;低結(jié)電容型TVS管，一般為幾pF～幾十pF。在高頻線路中，為避免信號失真，需選用低結(jié)電容的TVS管。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當(dāng)通過TVS管的電流增大時，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，可獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在精細(xì)保護(hù)電路中，應(yīng)用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的，一般用于最末級的精細(xì)保護(hù)。TVS管可靈活選用單向或雙向保護(hù)器件，在單極性的電路中，選用單向TVS管可以獲得較低的殘壓。

在抗浪涌尖峰電壓設(shè)計時，首先需對設(shè)備所需承受的浪涌尖峰電壓所具備的能量大小進(jìn)行分析;再根據(jù)設(shè)備能承受的最大工作電壓，對輸入電壓的容差進(jìn)行分析;最后根據(jù)上述分析結(jié)果選擇一個合適的電壓鉗位點及相應(yīng)的能量吸收性器件進(jìn)行電路設(shè)計。通常，設(shè)備所承受的浪涌尖峰電壓能量較低（電壓峰值≤600V，持續(xù)時間≤10us）的電路可采用壓敏電阻或TVS管進(jìn)行單獨設(shè)計;浪涌尖峰電壓能量較高的電路，需采用氣體放電管、壓敏電阻、TVS管進(jìn)行組合使用。在多種能量吸收型器件進(jìn)行組合設(shè)計時，為避免器件之間響應(yīng)時差導(dǎo)致防護(hù)電路損壞的情況發(fā)生，可在主回路中串入空心電感，調(diào)整不同器件之間的響應(yīng)時間。

在進(jìn)行開關(guān)電源抗浪涌尖峰電壓設(shè)計時，需注意的因素較多，主要有以下幾個方面：

1、殘壓水平應(yīng)能保護(hù)后級電路免受損壞;

2、具有足夠快的動作響應(yīng)速度，盡早動作限壓和旁路泄流;

3、在設(shè)備的最高工作電壓時不應(yīng)動作，且留有一定余量;

4、不應(yīng)給設(shè)備的安全運行帶來隱患。如，能量吸收型器件的失效模式大多是短路模式，需串入熔斷絲進(jìn)行保護(hù);

5、在多種能量吸收型器件進(jìn)行組合設(shè)計時，應(yīng)注意各級防護(hù)器件間的良好配合，避免后級防護(hù)電路先于前一級防護(hù)電路動作的情況。

結(jié)束語

開關(guān)電源以其獨特的優(yōu)勢，在我國得到了較廣泛的運用。在開關(guān)電源實際應(yīng)用中，不可避免地存在浪涌尖峰電壓的狀況。對此，需要在開關(guān)電源的輸入端設(shè)置相應(yīng)防護(hù)電路，提高開關(guān)電源的安全性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁文，張文輝.浪涌抑制器瞬態(tài)尖峰電壓測試后失效原因分析[J].計算機與數(shù)字工程，2019年第1期.

[2]廖建軍，黃波，李文豪，劉健 一種機載直流浪涌抑制器的設(shè)計[J].微電子學(xué)，2013年4期.

[3]吳建軍.直流電源引入端浪涌抑制技術(shù)研究[J].自動化與儀器儀表.2017（4）.E78D9E05-B4C2-44FD-8321-91AD6D01E2FD