開關電源中浪涌尖峰電壓的處理措施

熊昶智 游冬

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

關鍵詞：開關電源;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，在多個標準中均對浪涌尖峰電壓要求進行相應規定，如GJB151B-2013和HB6167.24中均對不同應用環境提出了不同的抗浪涌尖峰電壓要求。因此，能否有效提升開關電源對浪涌尖峰電壓的防范能力，是提高開關電源環境適應性、安全性、可靠性的關鍵。

一、浪涌電壓的基本要素

浪涌尖峰電壓是開關電源當中的一種常見現象。HB6167.24《雷電感應瞬態敏感度試驗》中規定，由雷電感應產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3200V，電流峰值最高可達5000A，持續時間最長可達500μs以上。同樣，GJB151B-2013中也規定了供電系統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。

由上述標準可知，浪涌電壓峰值最高可達幾千伏，持續時間通常為幾微秒到幾百微秒之間，具有電壓峰值高、持續時間短的特點。

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備產生影響。一是雷電直接擊中設備上的避雷針，產生的瞬變電磁場，對金屬回路產生壓電流或電動勢。二是雷電對線路附近的大地放電，由電磁感應產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備。

另一個是供電系統上大型負荷通斷時產生的。通常供電系統中存在寄生電感或濾波電感，當大型負荷接通或斷開時，會導致流過電感上的電流急劇變化，產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。

三、浪涌電壓的處理措施

開關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，同時根據浪涌尖峰電壓峰值高，持續時間短的特點，通常采用能量吸收型方案對浪涌尖峰電壓進行濾除，即采用能量吸收型器件對浪涌能量進行吸收，實現電壓鉗位，保護后級電路的目的。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：當兩極電壓足夠大時，極間間隙擊穿放電，由絕緣狀態轉換為導電狀態，將兩極間的電壓鉗位至一個低壓范圍內，一般在20V～50V之間。其優點是通流量較大;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及更換的問題。

在電路設計時，除了關注氣體放電管的直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量等參數外，其續流遮斷也是一個重點考慮因素。如前所述，氣體放電管在續流狀態下的電壓一般為20V～50V之間，不能直接應用于大于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，當電壓尖峰出現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，實現對后級電路的保護。

壓敏電阻的響應時間為納秒級，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;壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千pF的數量級范圍，不宜直接應用在高頻線路中，同時，較大的結電容也會增大漏電流，在交流防護中，需對漏電流進行充分考慮。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。其主要參數有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結電容、響應時間。

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

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當通過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。在精細保護電路中，應用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護器中是最小的，一般用于最末級的精細保護。TVS管可靈活選用單向或雙向保護器件，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計時，首先需對設備所需承受的浪涌尖峰電壓所具備的能量大小進行分析;再根據設備能承受的最大工作電壓，對輸入電壓的容差進行分析;最后根據上述分析結果選擇一個合適的電壓鉗位點及相應的能量吸收性器件進行電路設計。通常，設備所承受的浪涌尖峰電壓能量較低（電壓峰值≤600V，持續時間≤10us）的電路可采用壓敏電阻或TVS管進行單獨設計;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管進行組合使用。在多種能量吸收型器件進行組合設計時，為避免器件之間響應時差導致防護電路損壞的情況發生，可在主回路中串入空心電感，調整不同器件之間的響應時間。

在進行開關電源抗浪涌尖峰電壓設計時，需注意的因素較多，主要有以下幾個方面：

1、殘壓水平應能保護后級電路免受損壞;

2、具有足夠快的動作響應速度，盡早動作限壓和旁路泄流;

3、在設備的最高工作電壓時不應動作，且留有一定余量;

4、不應給設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，需串入熔斷絲進行保護;

5、在多種能量吸收型器件進行組合設計時，應注意各級防護器件間的良好配合，避免后級防護電路先于前一級防護電路動作的情況。

結束語

開關電源以其獨特的優勢，在我國得到了較廣泛的運用。在開關電源實際應用中，不可避免地存在浪涌尖峰電壓的狀況。對此，需要在開關電源的輸入端設置相應防護電路，提高開關電源的安全性和穩定性。

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