如何設計EMC浪涌保護電路？從原理到選型

電涌保護電路是一種被稱(chēng)為交流電網(wǎng)線(xiàn)電壓峰值保護器的電路。但是，在交流電網(wǎng)線(xiàn)中沒(méi)有特別限制。電涌保護器或電涌保護設備是一種提供電涌抑制或電壓尖峰抑制的設備，因此敏感設備不會(huì )受到損壞。

電涌保護器可以處理高達幾千伏特范圍的電壓尖峰(取決于電涌保護器的類(lèi)型)。還有一些浪涌抑制器只能承受幾百伏的電壓，依此類(lèi)推。盡管電涌保護器設計為可在短時(shí)間內承受高電壓尖峰，但仍不能承受更長(cháng)的持續時(shí)間。

什么是電涌?

通常，電涌是電平或幅度從正常值或標準值突然增加。在電力中，浪涌通常用于描述電壓瞬變，電壓浪涌或電壓尖峰。電壓浪涌，尖峰或瞬變不是永久性事件。它僅在短時(shí)間內發(fā)生，但如果沒(méi)有對策，則足以破壞設備。

電壓浪涌不僅存在于電力線(xiàn)中，而且還存在于具有電感特性的電路中。但是，電力線(xiàn)中的電壓浪涌最具破壞性，因為它可能高達幾千伏特范圍。

下圖顯示了交流電源線(xiàn)上的電涌。

交流線(xiàn)路瞬變電涌保護器通常安裝在房屋，辦公室和建筑物中，以防止損壞設備或裝置。應該將其安裝在所有設備或裝置都可獲取其源代碼的部分。這樣，所有設備將受到線(xiàn)路浪涌和尖峰的保護。這種方法稱(chēng)為通用電涌保護。如果所有設備或設備都具有本地電涌保護電路，則可能不需要通用電涌保護器。

電力線(xiàn)中使用的電涌保護電路的兩個(gè)主要類(lèi)別

1.主電涌保護器

初級電涌保護裝置安裝在房屋，辦公室或建筑物的電線(xiàn)入口處。它將保護進(jìn)入點(diǎn)之后連接線(xiàn)路的所有設備或電器。通常，初級電涌保護器功能非常強大。但是，它既龐大又龐大又昂貴。

2.二次電涌保護器

二級電涌保護器不如初級電涌保護器有效和強大。

但是，它便攜且使用方便。通常，這種電涌保護器很容易插入電源插座。它僅對從安裝了第二電涌保護器的電源插座獲取電源的設備提供保護。

下圖顯示了建筑物中主要和次要電涌保護器的安裝方式。

二次電涌保護電路的常見(jiàn)類(lèi)型

已知的次級電涌保護電路很少。一種是所謂的配電盤(pán)。配電盤(pán)很容易插入電源插座。除此之外，它還帶有多個(gè)電源插座，多個(gè)設備和電器可以插入其中，并受電涌保護。配電盤(pán)的最重要功能是在出現電涌時(shí)能夠終止電源。

另一種已知類(lèi)型的次級電涌保護器是眾所周知的UPS或不間斷電源。一些復雜的UPS具有內置的電涌保護器，可提供與配電盤(pán)相同的安全保護功能。

電涌保護器如何工作?

有一種電涌保護器

一旦出現電涌，可以切斷電源。這種類(lèi)型的電涌保護器復雜，復雜，當然也很昂貴。這種類(lèi)型的基本組件是電壓傳感器，控制器和鎖存/解鎖電路。電壓傳感器將監視線(xiàn)路電壓，控制器將讀取感測電壓并決定何時(shí)向鎖存/解鎖電路發(fā)信號通知終止電壓。鎖存/解鎖電路是可控制的電源接觸器或電源開(kāi)關(guān)，可以連接或斷開(kāi)線(xiàn)路電壓。

還有一種電涌保護器，它不提供電壓關(guān)斷功能，而只是鉗制電壓瞬變并吸收能量。這種電涌保護器通常用作內置電涌保護器，例如在開(kāi)關(guān)模式電源中。此類(lèi)保護在數千伏以下的電壓下均有效。如下圖所示，最好在電路中描述這種電涌保護。

ACLINE 1和AC2上的電涌保護器1稱(chēng)為差模電涌抑制。而電涌保護器2和3均稱(chēng)為共模電涌抑制。差模浪涌抑制器可鉗制ACLINE1和AC線(xiàn)2上的任何電壓尖峰。之所以稱(chēng)為差模，是因為它安裝在兩條熱線(xiàn)上。另一方面，共模是用于電涌保護器2和3的術(shù)語(yǔ)，因為兩者都將相對于大地的單個(gè)熱線(xiàn)上的電壓瞬變鉗位。在不太嚴格的電涌要求中，電涌保護器1已經(jīng)足以通過(guò)標準。然而，對于更高的浪涌電壓等非常嚴格的要求，增加了浪涌保護器2和3。

電壓浪涌的原因

電壓浪涌發(fā)生的原因有很多。這可能是由于雷電，電源系統切換(如電容器組)，帶有開(kāi)關(guān)設備的諧振電路，布線(xiàn)錯誤以及突然打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)，電動(dòng)機和其他高電感性電器和設備造成的。AC線(xiàn)電壓浪涌在世界任何地方都存在。因此，建議保護設備和設備免受此破壞性事件的影響。

一些常見(jiàn)的浪涌介質(zhì)

這些是電涌或電壓尖峰可以進(jìn)入使用它的設備或設備的常見(jiàn)路徑。

電源線(xiàn)–這是電涌的第一介質(zhì)，因為所有電氣和電子設備都使用交流電源。AC線(xiàn)電涌在世界范圍內很普遍。

射頻線(xiàn)–包括天線(xiàn)。天線(xiàn)容易受到雷擊。雷電能夠在短時(shí)間內產(chǎn)生非常高的電壓尖峰。當雷擊天線(xiàn)時(shí)，它將穿透射頻接收器。

汽車(chē)交流發(fā)電機–在汽車(chē)電子產(chǎn)品中，還定義了電壓浪涌。這是因為交流發(fā)電機能夠在負載突降期間產(chǎn)生高電壓尖峰。

電感電路/負載–任何電感電路或負載總是會(huì )引入浪涌電壓。通常，這種激增稱(chēng)為感應反沖。

IEC定義的浪涌標準

IEC61000-4-5定義了交流電源線(xiàn)浪涌的標準。下表提供了有關(guān)類(lèi)別和電壓電平的具體說(shuō)明。

根據該標準，設備在等級4下應承受和通過(guò)的最大瞬態(tài)電壓為4kV(盡管有等級5，但仍稱(chēng)為等級4)。

IEC61000-4-5定義的瞬態(tài)電壓如下圖所示。它具有1.2us的上升時(shí)間，而脈沖寬度為50us。

IEC61000-4-5還定義了短路電流形狀，如下圖所示。它具有8us的上升沿和20us的脈沖寬度。

下表是每類(lèi)對應的浪涌電流或短路電流水平。最差值是2000A。

IEC61000-4-5規定的短路電流是多少?

為了回答這個(gè)問(wèn)題，我首先要說(shuō)，所有連接到電源線(xiàn)的設備都必須具有電涌保護功能。電涌保護通過(guò)將瞬態(tài)電壓鉗制到一個(gè)更安全的水平而起作用。一旦電涌保護電路鉗位，從電源到保護裝置再到電源地的短路路徑將出現。

如何設計電涌保護電路

設計電涌保護裝置并不難。實(shí)際上，某些電子設備的內置電涌保護只能是一個(gè)設備。這可以是MOV或金屬氧化物壓敏電阻或瞬態(tài)電壓抑制器TVS。在下圖中，電涌保護器1至3可以是MOV或TVS。

有時(shí)，交流線(xiàn)路之間的電涌保護設備足以通過(guò)IEC標準。在少數情況下，需要在線(xiàn)路和地之間跨接電涌保護電路。特別是在更高的浪涌電壓要求(4kV及以上)時(shí)。

使用MOV作為電涌保護裝置

基本性質(zhì)

MOV代表金屬氧化物壓敏電阻;是電力線(xiàn)中常用的電涌保護器。

MOV是電壓依賴(lài)性電阻器

MOV操作就像一個(gè)二極管，具有非線(xiàn)性和非歐姆電流和電壓特性，但雙向。

它的操作也可以與雙向瞬態(tài)電壓抑制器TVS進(jìn)行比較。

當鉗位電壓沒(méi)有達到時(shí)，它就開(kāi)路

下面是MOV的電壓-電流曲線(xiàn)。如您所見(jiàn)，它在象限1和3上具有幾乎恒定的電壓，這使其成為雙向設備。ZnO和SiC分別代表氧化鋅和碳化硅。這是MOV制成的兩種常見(jiàn)材料。

型號選擇

對于通用的90-264Vac線(xiàn)路，通常的MOV額定電壓為300Vrms。300Vrms是MOV可以承受的RMS或連續施加的電壓。這還不是鉗位電壓。例如，根據數據表，我們將使用leiditech的14D471KJ，其交流額定電壓為300Vac，但在50A峰值電流下的鉗位電壓為775V。

接下來(lái)要驗證的是，MOV的浪涌電流額定值能夠處理上面表2中指定的水平(考慮最大水平)。根據下面所選的MOV數據表，在2000A和20us脈沖持續時(shí)間下，MOV能夠處理超過(guò)15次的撞擊但少于100次的撞擊。設備圖上用虛線(xiàn)估計了2000A。

盡管數據表中規定了鉗位電壓，但在2000A時(shí)可能不再有效。下圖顯示了使用所選MOV時(shí)在2000A處的相應鉗位電壓。黃線(xiàn)的交點(diǎn)是鉗位電壓。請注意，它已經(jīng)超過(guò)1000V。確保設備中使用的所有設備都能承受此電壓水平。否則，請考慮另一個(gè)鉗位電壓較低的MOV。

MOV電力線(xiàn)電涌保護的理想位置

如下圖所示，必須將MOV用作電涌保護裝置，并緊靠保險絲安裝。通過(guò)這種布線(xiàn)，一旦浪涌電流太大，MOV無(wú)法處理，則保險絲將斷開(kāi)并斷開(kāi)電路，并避免可能的災難性故障。

汽車(chē)中的浪涌抑制

如上所述，浪涌不僅發(fā)生在交流電源線(xiàn)上。電壓浪涌在汽車(chē)系統中也很常見(jiàn)。汽車(chē)系統僅使用鉛酸電池，對于6個(gè)串聯(lián)的電池，典型的完全充電電壓約為12.9V，每個(gè)電池為2.15V。在計算中，通常使用最大14V的電池電壓。此電平不是破壞性的，額定電壓為30V的設備足以長(cháng)期生存。但是，這種感覺(jué)僅在穩態(tài)下才是正確的，而在所謂的“甩負荷”期間則不正確。負載突降是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于描述在發(fā)電機充電時(shí)突然斷開(kāi)電池連接的時(shí)間。對于12V系統，如果不考慮負載突降，可能會(huì )導致高達120V的尖峰電壓，并且足以破壞設備。

為了抵消這種負載突降的情況，經(jīng)常使用電涌保護電路，如TVS和壓敏電阻。

在汽車(chē)中，甩負荷波形由ISO7637定義，如下圖。峰值電壓最大為125V。與IEC61000-4-5定義的標準相比，上升和脈沖寬度持續時(shí)間(T1和T)更長(cháng)。

汽車(chē)電涌抑制器的理想位置