力矩限制器雷擊浪涌測(cè)試、分析與改進(jìn)

張楠珂

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410200）

0 引言

汽車起重機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，且經(jīng)常在空曠的工地附近工作，容易出現(xiàn)雷擊現(xiàn)象。力矩限制器作為起重機(jī)安全控制中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的抗雷擊性能直接關(guān)系到整車的安全性能。本文從雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，力矩限制器設(shè)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理論分析，器件選型入手，解決在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。同時(shí)，該分析方法也適用于其他電子產(chǎn)品抗雷擊性能設(shè)計(jì)的參考。

1 浪涌沖擊抗擾度試驗(yàn)

雷擊浪涌危害主要產(chǎn)生于以下幾個(gè)方面：（1）直接擊中電路設(shè)備，從而在電路上產(chǎn)生高壓。（2）擊中附近的物體產(chǎn)生強(qiáng)大電磁場(chǎng)，從而在電路設(shè)備上產(chǎn)生高的感應(yīng)電壓。（3）雷電電流流入公共低阻抗后，由于保護(hù)器件的動(dòng)作產(chǎn)生突變的電壓電流，耦合進(jìn)入電路設(shè)備。

浪涌沖擊試驗(yàn)方法與設(shè)備：

（1）試驗(yàn)等級(jí)

試驗(yàn)時(shí)電源線路采用4kV電壓，通信線路采用1kV電壓。如表1所示。

表1 浪涌沖擊試驗(yàn)等級(jí)

（2）試驗(yàn)環(huán)境與設(shè)備

圖1是共模試驗(yàn)與差模試驗(yàn)的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，由于雷擊浪涌的上升沿較快速脈沖群要平緩，所以所包含的高頻分量要少很多。所以一般電容電阻的取值和快速脈沖群試驗(yàn)的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)時(shí)不一樣的。一般共模試驗(yàn)C=9

μF

，R=10Ω，差模試驗(yàn)C=18

μF

。

圖1 雷擊浪涌耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

雷擊浪涌抗擾度測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介：特有主機(jī)網(wǎng)絡(luò)一體式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置10A單相三通道界面程控電源耦合去耦網(wǎng)絡(luò)和四通道界面程控信號(hào)線網(wǎng)絡(luò)，雙機(jī)配置靈活，全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

(3)試驗(yàn)方法

雷擊浪涌發(fā)生器與力矩限制器用1m長(zhǎng)的電纜相連接。正負(fù)極各施加5次浪涌電壓，頻率為每分鐘施加1次。

2 浪涌干擾抑制網(wǎng)絡(luò)

圖2是浪涌抑制網(wǎng)絡(luò)的一般電路形式，該網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)元件Z1和并聯(lián)元件Z2組成。其中并聯(lián)元件可以是線性元器件，如電容，但大多數(shù)情況下是一個(gè)非線性元件，當(dāng)正常工作時(shí)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，當(dāng)出現(xiàn)浪涌干擾時(shí)處于低阻抗?fàn)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)電流泄放，例如TVS二極管和氣體放電管。串聯(lián)元件主要是用于限制瞬態(tài)浪涌電流，同時(shí)由于Z1和Z2的分壓作用，使得負(fù)載端的電壓得到抑制。常見的串聯(lián)元件有電阻、電感、磁環(huán)磁珠等。常用的三種保護(hù)方法有：轉(zhuǎn)移瞬態(tài)電流、對(duì)敏感元器件和電路進(jìn)行特殊保護(hù)，從軟件層面進(jìn)行特殊保護(hù)。

圖2 浪涌抑制網(wǎng)絡(luò)

3 力矩限制器電源電路設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在整個(gè)產(chǎn)品當(dāng)中至關(guān)重要，設(shè)計(jì)時(shí)不但需要考慮電源本身的基本電氣參數(shù)，還要考慮電源的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，如電磁兼容，溫度范圍，安全設(shè)計(jì)等因素，在設(shè)計(jì)之前，必須徹底了解整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際需求，并綜合成本與效率全面論證可行的設(shè)計(jì)方案。

汽車起重機(jī)車載24V電源給整個(gè)系統(tǒng)供電，其波動(dòng)范圍為DC18～36V。本文采用直流線性穩(wěn)壓電源為力矩限制器供電，直流線性穩(wěn)壓電源是為電子系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓的設(shè)備，在車載電壓與負(fù)載電阻變化的情況下，保證電源輸出的電壓不變。與線性電源相比，開關(guān)電源的直流輸出一般會(huì)疊加上較大的紋波電壓，并且由于開關(guān)管的關(guān)斷頻率很高容易產(chǎn)生大的尖峰脈沖，對(duì)電磁兼容的控制難度很大。一般車載力矩限制器對(duì)于電源體積和效率的要求并不高，所以采用線性穩(wěn)壓電源對(duì)解決EMI與EMC問(wèn)題是十分有幫助的。如圖3所示，為本款力矩限制器的電源電路。圖3中U2模塊為DC-DC直流線性穩(wěn)壓電源。

圖3 電源部分電路圖

本電源設(shè)計(jì)方案將24V車載電源通過(guò)線性穩(wěn)壓電路分別轉(zhuǎn)換成12V電壓與5V電壓。其中5V電壓給RS485模塊及鍵盤模塊供電，12V電壓給外部傳感器供電。同時(shí)5V電壓通過(guò)圖4兩路三端穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，分別給主芯片和LCD顯示器供電。

圖4 5V轉(zhuǎn)3.3V電路

本電源設(shè)計(jì)方案采用3級(jí)防雷設(shè)計(jì)。其中第一級(jí)F1為0.75A自恢復(fù)保險(xiǎn)，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是一種過(guò)流電子保護(hù)元件，采用高分子有機(jī)聚合物在高壓、高溫，硫化反應(yīng)的條件下，經(jīng)過(guò)特殊的工藝加工而成。第二級(jí)RV1為MOV壓敏電阻，MOV最常用于電源線上。它們的響應(yīng)時(shí)間比TVS二極管慢，比氣體管快。它們的響應(yīng)時(shí)間在數(shù)百納秒的范圍內(nèi)，對(duì)于雷擊浪涌來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠快了，但對(duì)于EFT群脈沖或ESD靜電來(lái)說(shuō)通常就不夠快。但是它們能承受數(shù)百或數(shù)千安培的雷擊浪涌電流，并能耗散數(shù)十焦耳或更多的能量。雖然在長(zhǎng)期受到浪涌電流時(shí)，MOV性能會(huì)逐漸退化，但這通常不是太大問(wèn)題，因?yàn)镸OV的額定值通常為幾百萬(wàn)次浪涌。MOV可以說(shuō)是是保護(hù)電子設(shè)備免受大電流浪涌影響的最佳器件，而且性價(jià)比很高。第三極D3為TVS二極管，TVS沒(méi)有MOV那么大的載流能力，然而TVS具有較低的鉗位電壓。使用TVS二極管時(shí)，浪涌電流通常會(huì)限制在100 A以下，它的響應(yīng)時(shí)間在皮秒級(jí)范圍內(nèi)，可用于ESD、EFT和雷擊浪涌保護(hù)。

4 力矩限制器雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析

■4.1 第一次實(shí)驗(yàn)分析

圖2電源電路第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：采用差模正電壓，共模電壓500V實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)。采用差模負(fù)電壓500V實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)機(jī)器重啟現(xiàn)象。采用共模1kV電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)電源模塊圖2中U2出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

原因分析：因?yàn)楣材ｋ妷菏羌釉陔娫春痛蟮刂g，對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是加在24V電源線和機(jī)殼之間。在最初的設(shè)計(jì)中VGND和GND只是通過(guò)電容相連，所以當(dāng)浪涌電流流經(jīng)電容時(shí)會(huì)造成24V和GND之間出現(xiàn)高壓，從而損壞電路。

■4.2 第二次實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，改進(jìn)電路將VGND搭接機(jī)殼。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：采用差模正電壓2kV，共模電壓2kV實(shí)驗(yàn)通過(guò)，差模負(fù)電壓500V，出現(xiàn)重啟。差模正電壓4kV，出現(xiàn)保險(xiǎn)損壞現(xiàn)象。

原因分析：第一次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，因?yàn)楣材ｋ妷河械妥杩够芈罚喈?dāng)于MOV壓敏電阻、TVS二極管都能起到作用，所以整個(gè)系統(tǒng)浪涌防護(hù)性能提升。在做差模正電壓4kV實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于浪涌電流過(guò)大，導(dǎo)致保險(xiǎn)燒壞。

■4.3 第三次實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)第二次實(shí)驗(yàn)分析，改進(jìn)了圖3電路，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后電路

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：所有波形全部通過(guò)。

原因分析：將壓敏電阻型號(hào)由14D390K轉(zhuǎn)換成14D820K，TVS管換成15KPCA。同時(shí)增加了220μF大電容C101。差模負(fù)極性出現(xiàn)重啟是因?yàn)樨?fù)極性電壓導(dǎo)致系統(tǒng)掉電，所以增加220μF電容可以在系統(tǒng)暫時(shí)掉電情況下提供電壓。通過(guò)對(duì)14D系列壓敏電阻數(shù)據(jù)手冊(cè)（圖6）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)14D390K的壓敏電阻在浪涌發(fā)生器8/20μs電流波情況下，所能通過(guò)的最大電流為1000A。

圖6 14D系列壓敏電阻數(shù)據(jù)手冊(cè)

壓敏電阻選型鐘最需要注意的事項(xiàng)是最大限制電壓就是殘壓，需要注意這個(gè)是在50A情況下測(cè)量的結(jié)果，實(shí)際通過(guò)的電流可能大于50A，這時(shí)的殘壓就不是77V了。應(yīng)該參考圖7。

對(duì)雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，浪涌發(fā)生器輸出電壓4kV，輸出電阻2Ω，所以得到短路電流為2kA。注意在電路圖中如果接上浪涌發(fā)生器，那么在壓敏環(huán)路里面的數(shù)學(xué)表達(dá)式為V=4000-I＊R，V為壓敏兩端的殘壓，I為通過(guò)壓敏的電流，那么可以畫出這個(gè)表達(dá)式的曲線，并且與圖7的曲線相交，交點(diǎn)就是壓敏電阻兩端的電壓電流。顯然在圖7中，這條曲線與壓敏u-i曲線無(wú)法相交。所以要選用820k，如圖8所示。

圖7 14D390K電壓電流關(guān)系圖

圖8中公示V=4000-I＊R所代表的曲線與14D820K將產(chǎn)生交點(diǎn)，此時(shí)交點(diǎn)的殘壓估計(jì)有250V～300V，電流在1200A左右。注意14D820K的最大承受電流為4500A。所以可以起到保護(hù)作用。當(dāng)然由于此時(shí)還有250V的殘壓，所以第二級(jí)防護(hù)TVS起到了作用。注意TVS換成15KPCA是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)表明在做脈沖5a波形的實(shí)驗(yàn)時(shí)，5KP和原先的45CA都不能起到作用會(huì)直接燒壞，所以需要選用功率大的15KPCA，并非本實(shí)驗(yàn)雷擊浪涌導(dǎo)致的改變。

圖8 14D820K電壓電流關(guān)系圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)力矩限制器實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行了雷擊浪涌測(cè)試，找出容易出問(wèn)題的電路部分。結(jié)合電磁兼容理論知識(shí)，從實(shí)際器件選型進(jìn)行分析，使得產(chǎn)品經(jīng)過(guò)改進(jìn)符合實(shí)驗(yàn)要求，本文所采用的壓敏電阻選型方法對(duì)電子產(chǎn)品防雷器件正確選型具有非常重要的實(shí)踐意義。