电子设备浪涌防护方案解析

浪涌包括浪涌电流、浪涌电压，它是指电路中瞬间出现超过正常工作电压、电流的现象。电子设备容易在雷电过电压、落雷引发出的诱导雷浪涌，还有电源系统开关切换引起的浪涌，这些浪涌产生的瞬态过压和过流，会导致电子设备瘫痪，给用户造成损失。下面解析下几种浪涌防护方案。

1、整机和系统接地。整机和系统的地(公共端子)应与大地分开。整机和系统中的每个子系统都应该有独立的公共终端。当数据或信号在子系统之间传输时，应以大地为参考电平。接地线(面)必须能流过大电流，例如几百安培。

2、整机和系统的关键部分(如显示器等)使用电压瞬变和浪涌防护器件。使得电压瞬变和浪涌通过防护器件旁路到子系统地和大地，从而大大降低进入整机和系统的瞬变电压和浪涌幅度。

3、重要且昂贵的设备和系统，可以组合几个电压瞬变和浪涌防护器件，以形成多级保护电路。浪涌保护器为电子设备的电源模块浪涌防护提供了一种简单、经济、可靠的防护方案，通过防浪涌元件(MOV)，当雷击感应和操作过电压时，迅速将浪涌传入大地，从而保护设备免受损坏。

浪涌的防护方案：

1.并联型浪涌保护元件与供电线并联。正常情况下，防雷模块中的压敏电阻处于高阻状态。当电网被雷击或在开关操作期间发生瞬时浪涌过电压时，防雷器在纳秒时间内做出响应，压敏电阻呈低阻状态，迅速将过电压限制在非常低的幅度。当线路长时间存在连续脉冲或持续过电压时，压敏电阻的性能会恶化发热，到达一定程度使热脱扣机构脱扣，避免火灾，保护设备。

2.串联滤波型浪涌保护元件串联接入供电线路，为电子设备提供安全、洁净的电源模块。雷电波有巨大的能源和陡峭的电压和电流上升率，并联型浪涌防护元件只能抑制雷电波的幅度，但不能改变其急剧上升的前沿。串联滤波型电源浪涌保护元件串联到电源线，在过压情况下，MOV1和MOV2在纳米时间内响应，将过压箝位。同时LC滤波器可将雷电波的陡电压和电流提升率降低近1000倍，剩余电压降低5倍，从而保护敏感用户设备。

3.压敏元件安装在电源的相间、线间，以限制浪涌过电压。第一种方案对照明、电梯、空调、电机等耐冲击电压等级较高的电气设备有较好的保护效果。但对于集成度高、结构紧凑的现代电子设备，实际保护效果并不理想。原因如下：以单相220伏交流电源的感应防雷为例，常用的方案是在零线和地线之间安装合适的压敏元件来吸收和限制感应雷击产生的峰值电压，电源线路的防雷效果完全取决于压敏元件参数的选择和压敏元件的可靠性。

压敏极限值的选择基于310伏市电峰值，外加20%的电网波动影响、10%的器件分散误差和15%的长期运行引起的发热、潮湿和元件老化等可靠性因素。一般来说取值为470伏~ 510伏，雷击等类型的尖峰干扰电压都被限制在470伏。对于低于470伏的电压，压敏元件不工作。普通低压电气设备(机床、电梯、照明、空调等)的工频耐压值一般为交流1500伏，瞬时耐压峰值可达2500伏以上，所以470伏的电压非常安全。

大规模集成电路组成的现代电子设备的工作电压一般在5 V至15 V之间，最大耐受电压一般不超过50 V。因此，叠加在市电上的小于470伏的高频尖峰电压将直接送到负载，通过空间耦合电容、变压器层间、极间电容不成比例地传到电源模块或集成电路芯片，这可能导致故障。虽然电源模块和电子设备都有相应的抗尖峰干扰措施，但由于成本和体积的限制，加上雷击等尖峰干扰的强度和频谱差异很大，防护效果并不理想。

4.加强电子设备的防护效果，在电源和负载之间串联超隔离变压器，也称隔离法，隔绝高频尖峰干扰，同时可使次级等电位连接进行。隔离方案主要采用带屏蔽层的隔离变压器，因为共模干扰是一种相对大地干扰，它主要是通过变压器绕组之间的耦合电容传递的。如果屏蔽层插在初级和次级之间，并且接地良好，则可以通过屏蔽层分路掉干扰电压，从而降低输出端的干扰电压，理论上带屏蔽层的变压器可以使衰减量达到60dB左右。

5.吸收法，主要利用吸波元件吸收浪涌尖峰干扰电压。吸波元件有一个共同的特点，即它们在阈值电压以下呈现高阻抗，一旦超过阈值电压，阻抗就会急剧下降，从而在一定程度上抑制了峰值电压。吸波元件包括压敏电阻、气体放电管、TVS管、固体放电管等。不同的吸波元件在抑制尖峰电压方面有其局限性。例如压敏电阻的电流吸收能力不够大，气体放大管的响应速度很慢。

除了分立式元件方案，还有模块方案。例如高能立方AP系列模块电源，内置防雷防浪涌电路，增加其可靠性。还有工业通讯，采用一体化的高浪涌防护隔离CAN收发器完全可以代替隔离CAN收发器与浪涌抑制器的组合方案，并且模块式方案还可以简化电路设计、节省PCB空间、降低产品研发成本。