開(kāi)關(guān)電源技術(shù)知識；防雷擊浪涌的開(kāi)關(guān)電源電路設計

序言

隨著(zhù)城市經(jīng)濟的發(fā)展，感應雷和雷電波侵入造成的危害卻大大增加。一般建筑物上的避雷針只能預防直擊雷，而強大的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應雷和脈沖電壓卻能潛入室內危及電視、電話(huà)及電子儀表等用電設備。特別是太陽(yáng)能控制儀表，由于太陽(yáng)能安裝位置的特殊情況，其使用穩定性是廣大開(kāi)發(fā)人員一直關(guān)注的重點(diǎn)。瞬間高電壓的雷擊浪涌以及信號系統浪涌是引起儀表穩定性差的重要原因，信號系統浪涌電壓的主要來(lái)源是感應雷擊、電磁干擾(EMI)、無(wú)線(xiàn)電干擾和靜電干擾。金屬物體(如電話(huà)線(xiàn)) 受到這些干擾信號的影響，會(huì )使傳輸中的數據產(chǎn)生誤碼，影響傳輸的準確性和傳輸速率。如何設計防雷電路成為儀表研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。

雷擊浪涌分析

最常見(jiàn)的電子設備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發(fā)生時(shí)在電源和通訊線(xiàn)路中感應的電流浪涌引起的。一方面由于電子設備內部結構高度集成化 (VLSI芯片)，從而造成設備耐壓、耐過(guò)電流的水平下降，對雷電(包括感應雷及操作過(guò)電壓浪涌)的承受能力下降，另一方面由于信號來(lái)源路徑增多，系統較以前更容易遭受雷電波侵入。浪涌電壓可以從電源線(xiàn)或信號線(xiàn)等途徑竄入電腦設備，我們就這兩方面分別討論：

1)電源浪涌

電源浪涌并不僅源于雷擊，當電力系統出現短路故障、投切大負荷時(shí)都會(huì )產(chǎn)生電源浪涌，電網(wǎng)綿延千里，不論是雷擊還是線(xiàn)路浪涌發(fā)生的幾率都很高。當距你幾百公里的遠方發(fā)生了雷擊時(shí)，雷擊浪涌通過(guò)電網(wǎng)光速傳輸，經(jīng)過(guò)變電站等衰減，到你的電腦時(shí)可能仍然有上千伏，這個(gè)高壓很短，只有幾十到幾百個(gè)微秒，或者不足以燒毀電腦，但是對于電腦內部的半導體元件卻有很大的損害，正象舊音響的雜音比新的要大是因為內部元件受到損害一樣，隨著(zhù)這些損害的加深，電腦也逐漸變的越來(lái)越不穩定，或有可能造成您重要數據的丟失。美國GE公司測定一般家庭、飯店、公寓等低壓配電線(xiàn)(110V)在10 000小時(shí)(約一年零兩個(gè)月)內在線(xiàn)間發(fā)生的超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數達到800余次，其中超過(guò)1000V的就有300余次。這樣的浪涌電壓完全有可能一次性將電子設備損壞。

2)信號系統浪涌

信號系統浪涌電壓的主要來(lái)源是感應雷擊、電磁干擾、無(wú)線(xiàn)電干擾和靜電干擾。金屬物體(如電話(huà)線(xiàn))受到這些干擾信號的影響，會(huì )使傳輸中的數據產(chǎn)生誤碼，影響傳輸的準確性和傳輸速率。排除這些干擾將會(huì )改善網(wǎng)絡(luò )的傳輸狀況。

基于以上的技術(shù)缺陷和狀況，本文根據實(shí)際使用設計了一種基于壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單相并聯(lián)式抗雷擊浪涌的開(kāi)關(guān)電源電路。開(kāi)關(guān)電源中的電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾兩種。通常傳導干擾比較好分析，可以將電路理論和數學(xué)知識結合起來(lái)，對電磁干擾中各種元器件的特性進(jìn)行研究;但對輻射干擾而言，由于電路中存在不同的干擾源的綜合作用，又涉及到電磁場(chǎng)理論，分析起來(lái)比較困難。

傳導干擾可分為共模(CM)干擾和常模(DM)干擾。由于寄生參數的存在以及開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)器件的高頻開(kāi)通與關(guān)斷，開(kāi)關(guān)電源在其輸入端(即交流電網(wǎng)側)產(chǎn)生較大的共模干擾和常模干擾。

變換器工作在高頻情況時(shí)，由于dvldt很高，激發(fā)變壓器繞組間以及開(kāi)關(guān)管與散熱片間的寄生電容，從而產(chǎn)生共模干擾。

根據共模干擾產(chǎn)生的原理，實(shí)際應用時(shí)常采用以下幾種抑制方法:

(1)優(yōu)化電路元器件布置，盡量減少寄生、糯合電容。

(2)延緩開(kāi)關(guān)的開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間，但這與開(kāi)關(guān)電源高頻化的趨勢不符。

(3)應用緩沖電路，減緩dvldt的變化率。變換器中的電流在高頻情況下作開(kāi)關(guān)變化，從而在輸人、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的dvl巾，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應出干擾電壓，這時(shí)就會(huì )產(chǎn)生常模干擾。故選用高質(zhì)量的濾波電容(等效電感或阻抗很低)可以降低常模干擾。

輻射干擾又可分為近場(chǎng)干擾[測量點(diǎn)與場(chǎng)源距離λ/6(λ為干擾電磁波波長(cháng))]和遠場(chǎng)干擾(測量點(diǎn)與場(chǎng)源距離>λ/6)。由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知，導體中變化的電流會(huì )在其周?chē)臻g產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產(chǎn)生電磁場(chǎng)的大小以及其作用范圍。在輻射研究中天線(xiàn)是電磁輻射源，在開(kāi)關(guān)電源電路中，主電路中的元器件、連線(xiàn)都可以認為是天線(xiàn)，可以應用電偶極子和磁偶極子理論來(lái)分析。分析時(shí)，二極管、開(kāi)關(guān)管、電容等可看成電偶極子;電感線(xiàn)圈可以認為是磁偶極子，再以相關(guān)的電磁場(chǎng)理論進(jìn)行綜合分析就可以了。

需要注意的是，不同支路的電流相位不一定相同，在磁場(chǎng)計算時(shí)這一點(diǎn)尤其重要。相位不同，一是因為干擾從干擾源傳播到測量點(diǎn)存在時(shí)延作用(也稱(chēng)遲滯效應);二是因為元器件本身的特性導致相位不同。如電感中電流相位比其他元器件要滯后。遲滯效應引起的相位滯后是信號頻率作用的結果，僅在頻率很高時(shí)作用才較明顯(如GHz級或更高);對于功率電子器件而言，頻率相對較低，故遲滯效應作用不是很大。