電源的雷電浪涌效應(yīng)及加固技術(shù)研究

摘 要:雷電浪涌是雷電對(duì)電子系統(tǒng)的一種重要的作用形式。雷電對(duì)電子系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在對(duì)電源電路的浪涌破壞和干擾上。為研究雷電浪涌對(duì)電源的沖擊效應(yīng)，進(jìn)行了雷電浪涌對(duì)直流電源的沖擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，雷電浪涌對(duì)直流電源有很大的干擾作用，可使電源產(chǎn)生大的波動(dòng)或高頻噪聲。在雷電流涌沖擊實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)直流電源進(jìn)行了加固實(shí)驗(yàn)，并取得了良好的效果。關(guān)鍵詞:雷電浪涌; 電源; 沖擊效應(yīng); 防護(hù)

中圖分類號(hào):TN86-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(jiàn)的自然現(xiàn)象。雷電通過(guò)避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)后大約還有30%～50%的雷電流通過(guò)電源線或信號(hào)線等進(jìn)入電子系統(tǒng)[1]，在電路中形成大的電流或電壓波動(dòng)，即雷電浪涌[2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子系統(tǒng)的干擾70%的是從電源線耦合進(jìn)來(lái)的[3]，雷電對(duì)電子系統(tǒng)的影響也主要表現(xiàn)在對(duì)電源電路的浪涌破壞和干擾上。本文通過(guò)雷電浪涌對(duì)直流電源的沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了雷電浪涌對(duì)直流電源的效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)。

1 雷電浪涌沖擊實(shí)驗(yàn)配置

雷電浪涌沖擊實(shí)驗(yàn)裝置主要由浪涌發(fā)生器和被試直流電源組成[4]。實(shí)驗(yàn)采用注入法，將浪涌發(fā)生器產(chǎn)生的雷電浪涌電壓直接輸入到電源的輸入端。

雷電浪涌發(fā)生器采用日產(chǎn)LSG8015，符合IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)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(xù)可調(diào)，浪涌極性可變。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 一般交流整流濾波電源

實(shí)驗(yàn)對(duì)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(fù)載電阻為1 kΩ。浪涌沖擊實(shí)驗(yàn)表明，來(lái)自電源線的雷電浪涌作用于電源變壓器輸入端時(shí)，變壓器輸出端會(huì)出現(xiàn)幅值降低、作用時(shí)間延長(zhǎng)、波形畸變的雙極性浪涌;經(jīng)整流濾波后的輸出電壓波形有大約5 V的過(guò)沖，輸出波形的下降時(shí)間延長(zhǎng)，輸出波形如圖1所示。

圖1 雷電浪涌時(shí)電源輸出波形

電源變壓器輸出波形發(fā)生畸變的原因是電源變壓器響應(yīng)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(chǎn)生過(guò)沖，是濾波電容作用的結(jié)果，且電容值越大過(guò)沖越明顯。浪涌開(kāi)始時(shí)存在的大電流易使濾波電容擊穿[5]。

2.2 開(kāi)關(guān)電源

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用ACE-870型開(kāi)關(guān)電源，該電源有2路輸出:5 V/3 A和12 V/2 A，負(fù)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(jìn)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(shí)差模和共模注入，5 V端輸出電壓的波形。

圖2 差模注入時(shí)輸出電壓波形

圖3 共模注入時(shí)輸出電壓波形

實(shí)驗(yàn)表明，雷電浪涌在開(kāi)關(guān)電源輸出端產(chǎn)生了較大的高頻噪聲，電源質(zhì)量變差，很容易對(duì)供電負(fù)載電路產(chǎn)生干擾。由圖3可知，開(kāi)關(guān)電源對(duì)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(shí)強(qiáng)。

開(kāi)關(guān)電源輸出端的高頻噪聲由2部分組成:一部分是經(jīng)開(kāi)關(guān)變壓器耦合到輸出回路的干擾信號(hào);一部分是經(jīng)變壓器初次級(jí)間的分布電容進(jìn)入輸出回路的噪聲。當(dāng)輸出浮地時(shí)，第2部分噪聲對(duì)地不能形成回路，在負(fù)載上不能產(chǎn)生干擾;當(dāng)輸入與輸出共地時(shí)，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(lián)了壓敏電阻(MOV)，當(dāng)差模輸入時(shí)，MOV分掉一部分浪涌電流;當(dāng)共模輸入時(shí)，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(shí)驗(yàn)

3.1 旁路保護(hù)法

對(duì)于雷電浪涌，一般采用旁路保護(hù)法，即并聯(lián)過(guò)壓保護(hù)器件進(jìn)行加固[6]。常用的過(guò)電壓保護(hù)器件有:火花隙、氣體放電管、壓敏電阻(MOV)、瞬態(tài)抑制二極管(TVS)和電流型硅浪涌保護(hù)器件(CSSPD)[7]。火花隙和氣體放電管屬于電壓開(kāi)關(guān)型元件，這種保護(hù)器件在沒(méi)有過(guò)電壓時(shí)呈現(xiàn)出高阻抗，一旦加有瞬態(tài)過(guò)電壓，其阻抗就突變?yōu)榈椭怠４祟愒拈_(kāi)關(guān)電壓較高，一般用于電氣設(shè)備中。CSSPD、MOV和TVS屬于限壓型或箝壓型，當(dāng)沒(méi)有過(guò)電壓時(shí)呈現(xiàn)出高阻抗，一旦瞬態(tài)過(guò)電壓出現(xiàn)，其阻抗隨電壓或電流的增加而減小。這類器件體積相對(duì)較小，箝位電壓低，多用于電子電路中對(duì)低壓IC的保護(hù)[8]。

3.2 一般交流整流濾波電源

對(duì)電源變壓器加固，是在其輸入端并聯(lián)雙極性通流量大的MOV器件來(lái)吸收雷電浪涌能量，對(duì)整流電路的加固是在輸出濾波電容兩端并聯(lián)單極性的反應(yīng)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(shí)，輸出電壓均穩(wěn)定在13.6 V以下，且過(guò)沖電壓下降時(shí)間很短。

圖4 加固后電源輸出波形

3.3 開(kāi)關(guān)電源

對(duì)開(kāi)關(guān)電源的加固，主要是設(shè)法消除開(kāi)關(guān)電源輸出端的高頻噪聲。根據(jù)高頻噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，可采取如下加固措施[9]:

(1) 盡可能使輸出浮地;

(2) 對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器的初次級(jí)分別進(jìn)行屏蔽以減小分布電容;

(3) 在電源的兩個(gè)輸入端分別對(duì)地加裝MOV以吸收共模浪涌;

(4) 電源輸出端并聯(lián)TVS和0.1 μF的聚丙烯電容。

圖5是進(jìn)行加固后2.5 kV共模浪涌作用下開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源輸出波形

4 結(jié) 語(yǔ)

雷電浪涌對(duì)直流電源的沖擊效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，雷電浪涌對(duì)直流電源有很強(qiáng)的干擾和破壞作用。通過(guò)并聯(lián)壓敏電阻(MOV)和瞬態(tài)抑制二極管(TVS)等浪涌保護(hù)器件，對(duì)變壓器初次級(jí)線圈進(jìn)行屏蔽， 并聯(lián)聚丙烯電容等措施，可大大減弱雷電浪涌對(duì)直流電源的影響。

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