力矩限制器雷擊浪涌測試、分析與改進

張楠珂

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學院，湖南長沙，410200）

0 引言

汽車起重機工作環(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安全控制中十分重要的一個環(huán)節(jié)，它的抗雷擊性能直接關(guān)系到整車的安全性能。本文從雷擊浪涌實驗標準，力矩限制器設(shè)備實驗結(jié)果，理論分析，器件選型入手，解決在實際產(chǎn)品設(shè)計過程中遇到的問題。同時，該分析方法也適用于其他電子產(chǎn)品抗雷擊性能設(shè)計的參考。

1 浪涌沖擊抗擾度試驗

雷擊浪涌危害主要產(chǎn)生于以下幾個方面：（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)生強大電磁場，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，由于保護器件的動作產(chǎn)生突變的電壓電流，耦合進入電路設(shè)備。

浪涌沖擊試驗方法與設(shè)備：

（1）試驗等級

試驗時電源線路采用4kV電壓，通信線路采用1kV電壓。如表1所示。

表1 浪涌沖擊試驗等級

（2）試驗環(huán)境與設(shè)備

圖1是共模試驗與差模試驗的耦合/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的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)時不一樣的。一般共模試驗C=9

μF

，R=10Ω，差模試驗C=18

μF

。

圖1 雷擊浪涌耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

雷擊浪涌抗擾度測試系統(tǒng)簡介：特有主機網(wǎng)絡(luò)一體式設(shè)計，實現(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線網(wǎng)絡(luò)，雙機配置靈活，全面實現(xiàn)自動控制。

(3)試驗方法

雷擊浪涌發(fā)生器與力矩限制器用1m長的電纜相連接。正負極各施加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)情況下是一個非線性元件，當正常工作時處于高阻抗狀態(tài)，當出現(xiàn)浪涌干擾時處于低阻抗狀態(tài)，從而實現(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，同時由于Z1和Z2的分壓作用，使得負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。常用的三種保護方法有：轉(zhuǎn)移瞬態(tài)電流、對敏感元器件和電路進行特殊保護，從軟件層面進行特殊保護。

圖2 浪涌抑制網(wǎng)絡(luò)

3 力矩限制器電源電路設(shè)計

供電系統(tǒng)的設(shè)計在整個產(chǎn)品當中至關(guān)重要，設(shè)計時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，如電磁兼容，溫度范圍，安全設(shè)計等因素，在設(shè)計之前，必須徹底了解整個系統(tǒng)的實際需求，并綜合成本與效率全面論證可行的設(shè)計方案。

汽車起重機車載24V電源給整個系統(tǒng)供電，其波動范圍為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，對電磁兼容的控制難度很大。一般車載力矩限制器對于電源體積和效率的要求并不高，所以采用線性穩(wěn)壓電源對解決EMI與EMC問題是十分有幫助的。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)計方案將24V車載電源通過線性穩(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5V電壓通過圖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)計方案采用3級防雷設(shè)計。其中第一級F1為0.75A自恢復(fù)保險，自恢復(fù)保險絲是一種過流電子保護元件，采用高分子有機聚合物在高壓、高溫，硫化反應(yīng)的條件下，經(jīng)過特殊的工藝加工而成。第二級RV1為MOV壓敏電阻，MOV最常用于電源線上。它們的響應(yīng)時間比TVS二極管慢，比氣體管快。它們的響應(yīng)時間在數(shù)百納秒的范圍內(nèi)，對于雷擊浪涌來說已經(jīng)足夠快了，但對于EFT群脈沖或ESD靜電來說通常就不夠快。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。雖然在長期受到浪涌電流時，MOV性能會逐漸退化，但這通常不是太大問題，因為MOV的額定值通常為幾百萬次浪涌。MOV可以說是是保護電子設(shè)備免受大電流浪涌影響的最佳器件，而且性價比很高。第三極D3為TVS二極管，TVS沒有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，浪涌電流通常會限制在100 A以下，它的響應(yīng)時間在皮秒級范圍內(nèi)，可用于ESD、EFT和雷擊浪涌保護。

4 力矩限制器雷擊浪涌實驗過程與分析

■4.1 第一次實驗分析

圖2電源電路第一次實驗結(jié)果如下：采用差模正電壓，共模電壓500V實驗時通過。采用差模負電壓500V實驗時出現(xiàn)機器重啟現(xiàn)象。采用共模1kV電壓進行實驗時，出現(xiàn)電源模塊圖2中U2出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

原因分析：因為共模電壓是加在電源和大地之間，對于系統(tǒng)來說是加在24V電源線和機殼之間。在最初的設(shè)計中VGND和GND只是通過電容相連，所以當浪涌電流流經(jīng)電容時會造成24V和GND之間出現(xiàn)高壓，從而損壞電路。

■4.2 第二次實驗分析

通過第一次實驗結(jié)果及分析，改進電路將VGND搭接機殼。

實驗結(jié)果：采用差模正電壓2kV，共模電壓2kV實驗通過，差模負電壓500V，出現(xiàn)重啟。差模正電壓4kV，出現(xiàn)保險損壞現(xiàn)象。

原因分析：第一次實驗改進后，因為共模電壓有低阻抗回路，相當于MOV壓敏電阻、TVS二極管都能起到作用，所以整個系統(tǒng)浪涌防護性能提升。在做差模正電壓4kV實驗時，由于浪涌電流過大，導(dǎo)致保險燒壞。

■4.3 第三次實驗分析

通過對第二次實驗分析，改進了圖3電路，如圖5所示。

圖5 改進后電路

實驗結(jié)果：所有波形全部通過。

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

圖6 14D系列壓敏電阻數(shù)據(jù)手冊

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

對雷擊浪涌實驗設(shè)備來說，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)學表達式為V=4000-I＊R，V為壓敏兩端的殘壓，I為通過壓敏的電流，那么可以畫出這個表達式的曲線，并且與圖7的曲線相交，交點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，此時交點的殘壓估計有250V～300V，電流在1200A左右。注意14D820K的最大承受電流為4500A。所以可以起到保護作用。當然由于此時還有250V的殘壓，所以第二級防護TVS起到了作用。注意TVS換成15KPCA是因為實驗表明在做脈沖5a波形的實驗時，5KP和原先的45CA都不能起到作用會直接燒壞，所以需要選用功率大的15KPCA，并非本實驗雷擊浪涌導(dǎo)致的改變。

圖8 14D820K電壓電流關(guān)系圖

5 結(jié)論

本文通過對力矩限制器實際產(chǎn)品進行了雷擊浪涌測試，找出容易出問題的電路部分。結(jié)合電磁兼容理論知識，從實際器件選型進行分析，使得產(chǎn)品經(jīng)過改進符合實驗要求，本文所采用的壓敏電阻選型方法對電子產(chǎn)品防雷器件正確選型具有非常重要的實踐意義。