電器防雷濾波技術(shù)探討

郭正銘，黃飛，王永峰，胡家祥

（1.四川省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)所，成都 610100 2.上海祥峰信息技術(shù)有限公司，上海 200235 3.總裝重慶軍代局駐一五七廠軍代室，四川彭州 611930）

電器防雷濾波技術(shù)探討

郭正銘1，黃飛1，王永峰2，胡家祥3

（1.四川省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)所，成都 610100 2.上海祥峰信息技術(shù)有限公司，上海 200235 3.總裝重慶軍代局駐一五七廠軍代室，四川彭州 611930）

我國(guó)是雷電多發(fā)地區(qū)，在我們?nèi)粘Ｉ钪须娖鹘?jīng)常會(huì)被雷電擊壞或不能正常工作。本文就產(chǎn)品設(shè)計(jì)中我們常采用的一種既防雷又解決濾波的防雷濾波技術(shù)討論，并加以驗(yàn)證。

電磁兼容；浪涌保護(hù)器；濾波；電磁干擾；電磁敏感度

前言

電子產(chǎn)品的發(fā)展及應(yīng)用，給我們生活帶來(lái)方便的同時(shí)也會(huì)給我們帶來(lái)煩惱，因而人們?cè)絹?lái)越重視電磁兼容技術(shù)。電磁兼容包括電磁干擾和電磁敏感度。電磁兼容設(shè)計(jì)中常用方法是屏蔽、濾波和接地等。EMI濾波器是一個(gè)雙向?yàn)V波器件，不僅可以濾除電網(wǎng)及設(shè)備流入其他的干擾信號(hào)，也可以濾除設(shè)備自身產(chǎn)生的流向電網(wǎng)及其他設(shè)備的干擾信號(hào)。浪涌保護(hù)器與EMI濾波結(jié)合是解決電磁兼容的一個(gè)好的方法，目前也是應(yīng)用比較廣泛的一種手段；既解決了產(chǎn)品受雷擊對(duì)產(chǎn)品的損壞等，也抑制了產(chǎn)品的電磁干擾。此簡(jiǎn)稱為防雷濾波，本文就如何實(shí)現(xiàn)防雷濾波技術(shù)展開(kāi)討論，并以實(shí)例論證。

1.雷方案所需要的元器件的介紹

1.1.關(guān)類防雷元器件：它包括陶瓷氣體放電管、玻璃放電管、半導(dǎo)體過(guò)壓保護(hù)器三種類型

1.1.1.類防雷元器件的工作原理:

正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)元件是斷開(kāi)的；當(dāng)遇到外界強(qiáng)雷擊浪涌來(lái)的時(shí)候，開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通，將浪涌電流泄放到大地，從而起到保護(hù)電子設(shè)備的作用。

1.1.2.類防雷元器件的優(yōu)點(diǎn)是：擊穿前相當(dāng)于開(kāi)路；擊穿后相當(dāng)于短路；脈沖峰值電流大;玻璃放電管和半導(dǎo)體過(guò)壓保護(hù)器的響應(yīng)速度都很快。

1.1.3.類防雷元器件的缺點(diǎn)是：

1) 陶瓷氣體放電管：響應(yīng)速度較慢,擊穿電壓一致性較差。

2) 玻璃放電管和半導(dǎo)體過(guò)壓保護(hù)器： 脈沖峰值電流比陶瓷氣體放電管小得多,玻璃放電管擊穿電壓分散性較大。

3) 半導(dǎo)體過(guò)壓保護(hù)器電容較大。

1.1.4.了更好地保護(hù)電子設(shè)備,這類防雷元器件一定要接地良好,而且最好接地點(diǎn)要面積大些,要直接接到大地上，接地線越短越好。

1.2.壓類防雷元器件，它主要有壓敏電阻、TVS管等。

1.2.1.類防雷元器件的工作原理:當(dāng)這類器件的外加電壓小于其導(dǎo)通的電壓時(shí)，它具有很大的內(nèi)阻，類似斷路；當(dāng)外加電壓大于其導(dǎo)通電壓時(shí)，其內(nèi)阻急劇減小，類似短路，從而保護(hù)電子設(shè)備。

1.2.2.類防雷元器件的優(yōu)點(diǎn)：壓敏電阻能承受更大的浪涌電流；TVS管的反應(yīng)速度極快；TVS管不易老化，使用壽命長(zhǎng)。

1.2.3.類防雷元器件的缺點(diǎn):壓敏電阻的漏電流較大;非線性特性較差,壓敏電阻所能耐受的沖擊電流的大小隨沖擊次數(shù)的增加而減小，較易老化;壓敏電阻反應(yīng)速度稍慢； TVS管限制電壓較低。

1.2.4.于一些小功率的高電壓轉(zhuǎn)成低電壓的DCDC開(kāi)關(guān)電源,應(yīng)該在DCDC電源的輸出端增加一個(gè)TVS器件,而且要靠近DCDC輸出端,這樣可以起到保護(hù)后面電子設(shè)備免受大干擾. 如果DCDC電源輸入端已經(jīng)有了足夠的防雷的措施,那DCDC電源前面可以不加TVS器件,如果DCDC前面沒(méi)有足夠的防雷措施,為了保險(xiǎn)起見(jiàn),可以在DCDC電源前面增加TVS器件。

2.波器

濾波器在產(chǎn)品的應(yīng)用一般為阻抗變換，阻抗匹配，延遲信號(hào)，分離信號(hào)、抑制干擾等。但分離信號(hào)、抑制干擾是最廣泛和最基本的應(yīng)用，也是我們?cè)O(shè)計(jì)中常用的。常用濾波器有低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器，帶阻濾波器等。我們常采用的EMI濾波器為組合型LC濾波器，如圖1。

L1，L2，C1是濾除差模干擾的，C2，C3，L是濾除共模干擾的。在選擇L1，L2線圈時(shí)注意磁飽和，如果在電流加大就使鐵磁飽和，這樣濾波效果大大降低。C1，C2，C3對(duì)濾波來(lái)說(shuō)，電容量越大效果相對(duì)越好；但是它將會(huì)與電網(wǎng)阻抗變低，這樣會(huì)導(dǎo)致漏電流加大，如果接地不好，會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)。

3.涌保護(hù)器

浪涌保護(hù)器電子產(chǎn)品雷擊防護(hù)的一個(gè)重要裝置。在防雷中利用其保護(hù)器的特性來(lái)吸收雷擊時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電壓，或?qū)㈦妷合拗圃诋a(chǎn)品所能承受的電壓范圍，或?qū)⒗纂娏餍沽魅氲兀瑥亩Ｗo(hù)產(chǎn)品不受沖擊而損壞或降低性能等。浪涌保護(hù)器至少包括一個(gè)非線性元件，它的組成器件主要包括放電間隙，壓敏電阻，二極管，濾波器等。浪用保護(hù)器可以按照工作原理，用途等來(lái)分類。我們常用的是壓敏電阻。壓敏電阻是以氧化鋅為主要成分的半導(dǎo)體非線性電阻。利用其當(dāng)兩端電壓達(dá)到一定值時(shí)，其電阻對(duì)電壓非常敏感的特性，即當(dāng)電壓高于一定值時(shí)，其電阻值迅速下降處于導(dǎo)通狀態(tài)，甚至處于短路狀態(tài)，從而使大電流流入地來(lái)保護(hù)產(chǎn)品不受沖擊而損壞或降低性能等；當(dāng)電壓低于其工作電壓時(shí)，壓敏電阻值很高，幾乎開(kāi)路，不影響產(chǎn)品的正常工作。

浪涌保護(hù)器吸收浪涌能力強(qiáng)，反應(yīng)速度也快，可以防止浪涌電壓的沖擊；但其可靠性較低，如果浪涌保護(hù)器損壞可能對(duì)產(chǎn)品的正常工作有影響，選擇上一定要有經(jīng)驗(yàn)。選擇壓敏電阻時(shí)高一點(diǎn)電壓相應(yīng)更安全、耐用、故障率低，但殘余電壓略高。

表1.用壓敏電阻的壓敏電壓參數(shù)

常用壓敏電阻的壓敏電壓參數(shù)，如表1。

根據(jù)壓敏電阻的電壓參數(shù)，在選擇和安裝過(guò)程中要注意：了解產(chǎn)品在實(shí)際使用中可能遇到最大的浪涌電壓和電流最大值；對(duì)浪涌發(fā)生路徑進(jìn)行分析；一般安裝在發(fā)生源處，這樣效果會(huì)好些；還有注意浪涌保護(hù)器的特性等。

有時(shí)候電路中也采用限流措施和限壓相結(jié)合的方案來(lái)解決浪涌干擾的問(wèn)題,限流器件一般有保險(xiǎn)絲(干擾泄放后,它斷開(kāi)保護(hù)后不可恢復(fù)的)和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲(干擾泄放到大地后,自恢復(fù)保險(xiǎn)絲可以自行恢復(fù))，他們一般放置在輸入前端.在選用限流保護(hù)器件時(shí),要注意限流保護(hù)器件的流過(guò)的最大保護(hù)電流。

4.涌保護(hù)器與EMI濾波器結(jié)合

如圖2所示，將浪涌保護(hù)器放置于濾波電路中作為濾波器的一部分。這樣既可以吸收雷擊所產(chǎn)生的浪涌電壓，也可以吸收電源中各種浪涌脈沖噪聲, 同時(shí)也濾掉其它噪聲，從而整個(gè)濾波效果提高，當(dāng)外界雷擊電壓沖擊時(shí)也起到保護(hù)產(chǎn)品的作用。但是要注意一個(gè)問(wèn)題，根據(jù)壓敏電阻的特性盡量避免相-地之間使用浪涌保護(hù)器；因?yàn)閴好綦娮枧cLC濾波器結(jié)合的保護(hù)電路，當(dāng)雷擊時(shí)電容越大，保護(hù)的殘壓越低，對(duì)被保護(hù)的設(shè)備越有利，但是，正常工作時(shí)，電容越大，泄漏電流也越大。

5.例分析

5.1.AC220V電源的防雷和濾波結(jié)合措施的分析

參考圖3可以從下面幾個(gè)方案來(lái)做選擇：

5.1.1.果AC220V電源進(jìn)線只是N線和L線，那么只在L線和N線之間增加一個(gè)壓敏電阻，這是最簡(jiǎn)單的防雷措施。這個(gè)壓敏電阻要靠近進(jìn)線端放置，這樣才可以起到防雷和保護(hù)后面電子設(shè)備電路的作用，另外圖中的保險(xiǎn)絲是防止大電流浪涌的措施，它可以防止大電流干擾。這個(gè)保險(xiǎn)絲是不可恢復(fù)的，它最好靠近電源輸入端放置。

5.1.2.果AC220V電源進(jìn)線是三根線: 地線, L線和N線。這種情況可以分為下面幾種情況:

情況一: 只在L線和N線之間增加一個(gè)壓敏電阻，而且這個(gè)壓敏電阻要靠近進(jìn)線端放置， 這樣才可以起到防雷和保護(hù)后面電子設(shè)備電路的作用；

情況二: 在地線和L線和N線彼此之間各增加一個(gè)壓敏電阻，而且這個(gè)壓敏電阻要靠近進(jìn)線端放置，這樣才可以起到防雷和保護(hù)后面電子設(shè)備電路的作用；

情況三: 在地線和L線和N線彼此之間各增加一個(gè)壓敏電阻和放電管串聯(lián)的電路，而且這個(gè)壓敏電阻和放電管串聯(lián)的電路要靠近進(jìn)線端放置，這樣才可以起到防雷和保護(hù)后面電子設(shè)備電路的作用。

上述三種情況中，其中情況三（如圖4）是最完整最安全的防雷電路，可以優(yōu)先考慮它，但這個(gè)防雷電路的器件比較多，所以成本大些，而且需要的空間也大些。

情況四: 在上述三種情況中，也可以增加一個(gè)限流措施,都在線路上增加一個(gè)保險(xiǎn)絲或者自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。

5.2.般直流電源的常用防雷措施

圖5是直流電源電路的輸入端電路，不同輸入直流電源的電路，防雷方案是稍有區(qū)別的。

5.2.1.果輸入直流電源是DC24V—DC48V，那就在正負(fù)極輸入電壓之間增加一個(gè)壓敏電阻和溫度保險(xiǎn)管串聯(lián)的電路，同時(shí)在負(fù)極和大地之間要增加一個(gè)氣體放電管，他們也要靠近輸入端放置，同時(shí)氣體放電管接地端要良好，這樣才可以起到防雷和保護(hù)后面電子設(shè)備電路的作用。

5.2.2.果輸入直流電源是DC110V, 那它的防雷電路如圖6。

6.論

總之，防雷濾波是一個(gè)解決電磁兼容好的措施，既將產(chǎn)品的干擾解決掉，同時(shí)也解決了產(chǎn)品受雷擊而引起的干擾和產(chǎn)品損壞。防雷濾波此種濾波器與以往單獨(dú)濾波器一樣，在安裝時(shí)要注意：接地線應(yīng)盡量短(因?yàn)槔纂娏髅}沖前沿很陡)，另浪涌保護(hù)器一般盡量安裝發(fā)生源處，這樣效果會(huì)好一些；選擇浪涌保護(hù)器注意各個(gè)特性指標(biāo)。

[1]王 麗，張小青 EMI濾波器與浪涌抑制技術(shù)的結(jié)合[J] 電力系統(tǒng)通信2006，第27卷第165期 ，50～53

[2]區(qū)健昌、林守霖、呂英華 《電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)》[M] 2003年9月

Discussion on the Appliances’ Lightning Protection Filtering Technology

GUO Zheng-ming1，HUANG Fei1，WANG Yong-feng2，HU Jia-xiang3
（1.Supervision & Test Station for Electronic Product of Sichuan，Chengdu 610100 2.QUIPERT（shanghai）CO.,LTD,Shanghai 200235 3.PLA Military Delegation Office for 157 Factory.Pengzhou 611930）

Our country is the lightning multiple regions.In our daily life，appliances are often strucked by lightning what lead to damage or working improperly.This paper discussed and verified the lightning protection and filtering technology which is commonly used in product design.

EMC(Electro Magnetic Compatibility)；SPD（Surge protection Device）；Filtering；EMI（Electro Magnetic Interference）；EMS（Electromagnetic Susceptibility）

TN973.2+1

A

1004-7204（2012）03-0022-04

郭正銘，1976年5月，男，四川平昌，工程師，主要從事電磁兼容技術(shù)。