电子产品的雷电浪涌保护

2021-04-12

在晴朗的晴天，地面通常在高层大气中带有轻微的负电荷，并带有相应的正电荷。这将在全球范围内产生大约120 V / m的平均电场强度。相比之下，雷暴云在通过雷击放电之前产生的电场强度约为25 kV / m。这在该云层与地面或其他带电云层之间产生了十到一亿伏特的电位差。这种强度的场会导致空气分子在正电荷和负电荷之间电离，从而形成一个传导通道，雷电可以沿着该传导通道行进。尽管大多数导电通道是在云层之间形成的，但至少有十分之一的形式在云层和地面之间形成，形成了特征性的闪电。

闪电效果

对于云之间的那些放电，放电将产生短暂的高强度无线电波。这些通常对电子设备无害，除非它们碰巧对此类信号敏感并在合理范围内接近放电。除非来自发射的电磁干扰（EMI）的瞬态干扰将成为一个重大问题，否则我们可以降低这些放电对地面设备的影响。主要问题来自那些到达电子设备附近大地的放电。这些雷击是我们作为电气设计工程师所经历的大多数破坏性影响的原因。

对电气设备和电缆的直接雷击通常如此之大，以至于无法采取内置的措施来防止这种情况的发生。连接到建筑物的避雷针依靠其将放电电流直接转移到大地，作为主要的保护机制。除非设备放置不当或故意，否则直接撞击电气设备的可能性通常较低。在存在显着的大气电场强度的情况下，它会鼓励电离。 

电气设备的可信风险来自设备附近的对地放电。雷击期间发生的巨大能量转移会导致附近电气系统中以各种方式临时产生破坏性电流。主要影响通常是暂时的电磁干扰，由磁耦合或电容耦合感应的瞬态电压，以及由局部接地电位偏移引起的浪涌电流。我们将简要总结这三个效果：

电磁干扰

放电电流的流动会在放电期间产生EMI的宽带发射。虽然这仅代表设备整体电磁环境的一部分，但短暂的高场强会干扰宽范围内未屏蔽的组件和传输线。

磁/电容耦合

当放电电流流经电缆附近时，感应效应会导致瞬变感应到电缆上。这在架空电线杆或塔架之间的距离较长的架空电缆中尤为普遍。电气设备通常会连接到电源电缆和信号电缆，这些电缆通过导电桥架，管道或通过架空电缆携带而受到影响。电缆越长，通过耦合效应引起高压瞬变的可能性就越高。这使得用于远程控制和监视的远程设备特别容易受到此类事件的影响。

为了达到足够高的磁耦合或电容耦合水平，从而引起较大的感应电流，雷电流必须非常接近电缆。但是，这种感应的瞬态电流通常可以由设备和系统设计来适应。通常，对现场信号电缆进行屏蔽或屏蔽，以减少一般的EMI和噪声拾取。使用双绞线电缆可以将线路之间的电压降低到不会造成设备损坏的水平。但是，除非添加额外的保护功能，否则仍会以可能损坏敏感组件的电平产生共模电压。

地球电位变化

几乎所有雷电放电都超过3 kA，十分之一左右超过100 kA。绝大多数的地雷直接终止于地面。那些击中建筑物的建筑物通常通过避雷针和接地棒直接引向地面。很大的放电电流流入接地端子，并把电荷耗散到地球质量中。该电流的一个影响是，它提高了触击位置的参考地电位。例如，终止于地面的阻抗为0.1Ω的100kA放电电流将在冲击点处产生10,000伏的电势。任何靠近触击点接地的设备都将被绑定到相同的参考电位。虽然这不会影响该设备，但由于它在本地看到的电势差没有变化，它会在此本地接地与连接到距离已接地一定距离的设备的任何电缆的接地之间看到巨大的电位差。由于两个接地电位之间的差异，这将导致出现非常高的瞬态电压。

雷击

由于EMI和磁/电容耦合效应，在电源或信号电缆上感应出的瞬变相对较容易防止。可以使用当今的电磁辐射饱和环境中所需的标准屏蔽和屏蔽技术来应对此类瞬变。 

由于潜在的地球移动而引起的瞬变是一个更为重要的问题。屏蔽不会抵消物理上分开的地面之间可能出现的暂时性差异。几十伏的过电压会严重损坏低功率半导体组件。在这种情况下感应的瞬态电压将需要我们现在讨论的其他保护机制。

保护选项

电涌保护装置可用于保护电气和电子设备免受高压瞬变的潜在破坏性影响。这些设备也称为避雷器，避雷针和防雷装置。电涌保护电路几乎瞬时工作，以提供低阻抗路径来传导大电流，以消除过大的保护差，并吸收多余的电流并将其转移到地面，以防止瞬变或电涌的影响。浪涌电流消退后，理想情况下，设备应自动恢复正常运行，因此能够防止任何后续浪涌。但是，我们还将简要介绍更传统的一发式保护设备的完整性。

电涌保护器有两种主要类型。滤波器为高频瞬态电流提供了屏障，同时允许低频功率电流不受影响地通过。另一方面，每当设备的电压超过预设值时，瞬变分流器就会提供一条非常低的接地阻抗路径。在这里，我们集中在瞬态分流器上，因为这些瞬态分流器可提供所需的保护，以防止雷击引起的地电位变化。

由于并非所有电路都可能受到这些瞬变的影响，因此经常采用的方法是使用连接在通用设备，系统和外部噪声或瞬变源之间的其他保护性组件或设备。有几个可用的组件，可以防止过多的能量到达设备或系统的敏感部分。这些通过将电涌转向大地或断开信号线来工作。可接受的设备可以快速运行，并且能够在短时间内承载大电流，同时将跨接电压或流经受保护设备的电流限制在可能发生损坏的水平。在避免服务中断的情况下，通常首选免维护和自动重置的设备。 

空气火花隙

该保护机构由两个导电电极组成，这两个导电电极在物理上是分开的，并且位于不受控制的环境中。通常不导电，当两个电极之间的电位差达到定义值时，它们之间的空气就会电离，放电电流会在它们之间流动。这种电离会在两个电极之间产生一条低电阻路径，从而使电流流过，直到空气不再被电离为止。电极之间的距离将确定发生电离时的电势差值。这有效地对本地接地点产生了受控的雷击。

尽管火花隙价格便宜，但它们的工作电压将受到环境条件（例如温度和湿度）的影响，并会受到空气中污染物的影响。它们的性能也可能随时间变化，并由于电极腐蚀而因其运行而降低性能，如果定期激活它们，则可能需要更换。

排气管

火花隙保护的一种变化是，导电电极在受控的环境中物理隔离，通常是填充有特定气体的密封容器。这样可以改善对放电电压的控制，并减少环境条件的影响。常用的材料包括密封在陶瓷容器中的低压氩气/氢气混合物，其击穿电压从90 V开始，额定电流超过5kA。

气体放电管的一个缺点是气体电离所需的时间有限，从而限制了对浪涌电流的保护，而浪涌电流的陡峭上升沿到浪涌波形。额定电压为100V直流击穿的典型电子管，其上升时间为200V / µs的浪涌，直到基于0.5µs的电离时间，电压达到200V左右时，电子管才会击穿。这没有考虑到100V额定值的任何容差。通常，此类设备的公差为20％。另一个缺点是，由于气压和成分随时间的变化，它们的寿命受到限制。

一旦发生击穿并且气体已被离子化，如果在持续时间内流过足够的电流，则气体可能会转化为离子化的等离子体。如果电路可以支持这么大的电流，则该等离子体可以以相对较小的电位差放电数千安培。必须仔细设计保护电路，以防止源设备电源消除了源极浪涌电流后气体放电管的工作持续下去。

气体放电管通常适合与低功率电路配合使用，在任何浪涌条件下，其浪涌电压都会缓慢上升，并且可以承受电压过冲情况。

半导体器件

半导体器件的优点是它们的快速操作和它们工作的广泛电压范围。只要电流保持在规格范围内，它们就可以提供准确且可重复的电压钳位功能。浪涌抑制二极管，也称为瞬态电压抑制（TVS）二极管，对于持续时间少于1 ms的脉冲，可以处理几kW的浪涌。浪涌抑制二极管和标准齐纳二极管之间的差异仅在于结区增大的尺寸，从而降低了电流密度。这些组件提供了一些可用保护组件最快的响应时间（通常为几纳秒），但以相对较低的能量吸收能力为代价。浪涌抑制二极管的缺点之一是其相对较高的成本。

压敏电阻 

压敏电阻是与电压相关的电阻，其中流过器件的电流对器件两端的电压的变化具有非线性关系。由于压敏电阻通常使用金属氧化物制造，因此通常称为金属氧化物压敏电阻（MOV）。金属氧化物颗粒的作用类似于半导体结。这使它们对浪涌的响应时间与基于二极管的组件相当。与浪涌抑制二极管相比，它们的优势在于，整个器件的功率消耗很大，而不仅仅是结区。然而，缺点是它们在低电压下具有更高的泄漏电流。它们还受环境因素（例如温度）的影响更大，并且会随着时间的流逝而退化，尤其是如果定期暴露在高电流瞬变中。

浪涌继电器

浪涌继电器设计用于在出现大电流浪涌时断开信号线，并可以处理相对较高的功率水平。它们依靠电触点的物理运动来形成或断开电路。它们具有稳定和灵敏的优点，但是它们的主要缺点是它们的运行速度。继电器触点充分移动以影响电流所花费的时间可能是几毫秒。如果将电涌继电器配置为在电流过大的情况下使电路断开，则在触点断开的初始时间内，触点之间的电弧会加剧延迟。这增加了电涌电流首次出现到电流最终停止之间的时间。

一旦浪涌电流瞬态经过，浪涌继电器将重置回其默认状态。该操作也可能相对较慢，并且该操作的物理性质可能使其易于产生被视为电路的瞬时连接/断开的接触反弹效应。根据电路的性质，这种物理反弹可能会产生相应的电影响。

电涌继电器还需要维护以保持触点清洁，或者如果触点在密封的外壳内，则需要进行更换。触点的重复操作会由于电弧和冲击损坏引起的金属腐蚀作用而导致过度磨损。

保险丝

作为一站式保护装置，防浪涌保险丝提供有效的保护，并使用弹簧张紧机构来实现快速启动时间。但是，如果瞬态浪涌电流具有快速上升的沿，则它们可能容易出现电压过冲问题。它们依靠浪涌电流将金属线熔化成设定值，而不是直接根据电势差来确定其额定值。因此，必须将它们与电阻元件结合使用以实现保护功能。当然，主要缺点是激活后需要手动更换保险丝。必须注意，普通的保险丝将无法应对雷电引起的瞬变。必须使用专业的电涌保护保险丝。

断路器

断路器通常设计用于电力系统。尽管可以将能量处理能力提高到认为必要的任何水平，但是响应速度约为数十毫秒，通常太慢而无法有效地抵抗短时间的瞬变。它们还需要在激活后进行手动复位，从操作的角度看，它们实际上是一键式保护设备。至于保险丝，标准断路器无法应对雷电引起的瞬变。如果需要断路器，请始终确保选择正确额定值的断路器来应对此类瞬变。

电涌保护实施最佳实践

通常会发现一台设备无法提供所需的解决方案，例如响应时间，电流能力，环境耐受性或可靠性。在这种情况下，答案很可能是将两个或多个不同类型层叠在一起。这使设计人员可以结合每种设备提供的优势并提高总体保护水平。最常见的组合使用的是高电流，作用相对较慢的组件，其作用较快但额定功率较低，从而将电压和电流输出降至最低。可以在保护电路的外围使用高浪涌电流容量的设备来转移大部分瞬态过电压，然后再使用更精确的设备提供全面的浪涌保护解决方案。

电涌保护设备可以根据其实现方式来实现一系列功能。它们可以将瞬态电流分流到地面，钳位电势差，防止过多的能量进入电路或从信号线中滤除特定频率。通常，它们完成这些功能的组合，以实现所需的端部保护。理想的电涌保护设备将至少具有钳位电压，可处理极高的电涌电流，并减小电涌的快速上升沿。

保护来自于通过低阻抗路径将浪涌电流分流到大地。如果要实现电涌保护设备的额定性能，则必须正确设计和实施此路径。设计或实施不当的转移路径可能会使保护电路失效。

应将保护应用于设备的所有外部连接；输出信号连接与输入电源线和信号连接一样容易受到影响。最显着的风险不一定来自连接了最长电缆的连接器，而是终止于接地端的连接，该接地端实际上距离被保护设备的接地端最远。同一连接可能并不总是满足这两个条件。

在设备中设计浪涌保护或抑制时，在计算瞬态电压保护要求时，必须考虑连接电缆的电感。设计应基于最坏情况的电缆选件，以确保其对所有可能的安装均有效。

选择保护组件时，请记住单价与性能之间存在关联。在计算保护元件预算时，请始终考虑被保护设备的价值。