通過6個（gè）實例電路分析，詳解（jiě）雷擊浪湧的（de）防護

1、電子設備雷擊浪湧抗擾度（dù）試驗標準

電子設備雷擊浪湧（yǒng）抗（kàng）擾度試（shì）驗的（de）國家標準（zhǔn）為GB/T17626.5（等同於國際標準IEC61000-4-5 ）。

標準主要是模擬間接雷擊產生的各種情況：

  （1）雷電擊中外部線路，有大量電流流入外部線路或接（jiē）地電阻，因而產生的幹擾電

  （2）間接（jiē）雷擊（如雲層間或雲層（céng）內的雷擊）在外（wài）部線路上感應出電（diàn）壓和電流。

  （3）雷電擊中線路鄰（lín）近物體，在其周（zhōu）圍（wéi）建立的強大電磁場（chǎng），在外部線路上感應出電壓（yā）。

  （4）雷電（diàn）擊中鄰近地麵，地電流通過公共接地係（xì）統時所（suǒ）引進的幹擾。

標準除了模擬雷擊（jī）外，還模擬（nǐ）變電所等場（chǎng）合，因開關動作而引進（jìn）的幹（gàn）擾（開關（guān）切換時引起電壓瞬變），如：

  （1）主電源（yuán）係統切換時產生的幹擾（rǎo）（如電容器組的（de）切換）。

  （2）同一電網，在靠近設備附近（jìn）的一些較（jiào）小開關跳（tiào）動時的（de）幹擾（rǎo）。

  （3）切換伴（bàn）有諧振線路的晶（jīng）閘管（guǎn）設備。

  （4）各種係統性的故障，如設備接地網絡或（huò）接地係統（tǒng）間的短路和飛弧故障（zhàng）。

標準描述了兩種不同的波形發生器：一種是（shì）雷擊在電（diàn）源（yuán）線上感應生產的波形；另一種是在（zài）通信線路上感（gǎn）應產生的波形。

這兩種線路都屬於空架線，但線路的阻抗各不相同：在電（diàn）源線上感應產生的浪湧波形比較窄一些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）；而在（zài）通信線上感應產生的浪湧波形比較寬一些，但（dàn）前（qián）沿要緩一些。後麵我們主（zhǔ）要以雷擊在電源線上感應生產的波形來對電路進行分析，同時也對通信線路的防雷技術進行簡單介紹。

2、模擬雷擊浪湧脈衝生成電路的工作原理

上圖是模擬雷（léi）電擊到（dào）配電（diàn）設備時（shí），在輸電線路中感應產生的浪湧電壓，或雷電落地後雷電（diàn）流通過公共地（dì）電阻產生的反擊高（gāo）壓的脈衝（chōng）產生電路。4kV時的單脈（mò）衝能量為100焦耳。

圖中Cs是儲能電容（大（dà）約（yuē）為10uF，相當於雷雲電容）；Us為（wéi）高壓電源（yuán）；Rc為（wéi）充電電阻；Rs為（wéi）脈衝持續時間形成電阻（放電曲線形成電（diàn）阻（zǔ））；Rm為阻（zǔ）抗匹配（pèi）電阻Ls為電流上升形成電感。

雷（léi）擊浪湧抗擾度試驗對不同產品有不同的參數要求，上圖中（zhōng）的（de）參數可根據產品標準（zhǔn）要求不同，稍有改動（dòng）。

基本（běn）參數要求：

（1）開路輸出電（diàn）壓：0.5～6kV，分（fèn）5等級輸出，最後一級由用戶與製造商協商確定；

（2）短路輸出電流（liú）：0.25～2kA，供不同等級試驗用;

（3）內阻：2 歐姆（mǔ），附加電阻10、12、40、42歐姆（mǔ），供其它不同等級試驗

（4）湧輸出極性：正/負；浪湧輸出與電源同步時，移相0～360度；

（5）重複頻率：至少每分鍾一次。

雷擊浪湧抗擾度（dù）試驗（yàn）的嚴酷（kù）等級分為5級（jí）:

1級：較好保護的環境；

2級：有一定保（bǎo）護的環境；

3級：普（pǔ）通的電磁騷擾環境、對設備未規定特殊安裝要求，如工業性的工作場所；

4級：受嚴重騷擾的環境，如民用空架（jià）線、未（wèi）加保護的高壓變電所。

X級：由用戶與製造商協商確定。

圖中18uF電容，可根據嚴酷等級不同，選擇數值也可不同，但（dàn）大到一定值之後，基本上就沒有太大意義。

10歐姆電阻以及9uF電容，可根據嚴酷（kù）等級不（bú）同，選（xuǎn）擇數（shù）值也不同，電阻最小值可選為0歐姆（美國標準就是這樣）， 9uF電容也可以選得很大，但大（dà）到一定值之後，基本上就沒有太大意義。

3、共模浪湧抑製電（diàn）路

防浪（làng）湧設計時，假定共模與差模這兩部分是（shì）彼此獨立的。然（rán）而，這（zhè）兩部分並非真正獨立，因為（wéi）共模扼流圈可以提供相當大的（de）差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來模擬。

為了利用差模電感，在設計過程中，共模與差模不應同時進行，而應該按照一（yī）定的順（shùn）序來做。首（shǒu）先，應（yīng）該測量（liàng）共模噪聲並將其濾除掉。采（cǎi）用差模抑製（zhì）網絡（Differential Mode Rejection Network），可以將差模成分消除，因此（cǐ）就可（kě）以直（zhí）接測量共模噪聲（shēng）了。

如果設計的共模濾波器要（yào）同時使差（chà）模噪（zào）聲不超過允許範圍，那麽就應測量（liàng）共模與差模的混（hún）合噪聲。因（yīn）為已知共模成分在噪聲容限以下，因此（cǐ）超標（biāo）的僅是差模成分，可用共模濾波器的差（chà）模漏感來衰減。對於低功率電源係統，共模扼流圈（quān）的差模電感足以解決差模輻射問題（tí），因為（wéi）差模輻（fú）射的（de）源阻抗較小，因此隻有（yǒu）極少量的電感是（shì）有效的。

對4000Vp以下（xià）的浪湧電壓進行抑製，一般隻需采用LC電路進行限流和平滑濾波，把脈衝信號盡量壓低到2~3倍脈（mò）衝信號平均值的水平即可。電感很容易飽和，因此，L1、L2一般（bān）都采用一種漏感很大的共模電感。

用在（zài）交流，直（zhí）流的都有，通常我（wǒ）們在（zài）電源EMI濾波器（qì），開關電源中常見到，而直流側少見，在汽車電子中能夠（gòu）看到用在直流側（cè）。
加入共模電感是（shì）為了消除並行線路上的共模（mó）幹擾（rǎo）（有兩線的，也有多線的）。由於電路上（shàng）兩線阻（zǔ）抗的不平衡，共（gòng）模幹擾最終體現（xiàn）在差模上。用差模濾波方法（fǎ）很（hěn）難濾除。
共模電感到底（dǐ）需要用在（zài）哪。共模幹擾通常是電磁輻射，空間耦合過來的，那麽無論是交流還是（shì）直流，你有長線傳（chuán）輸，就涉及到共模濾波就得（dé）加共（gòng）模電感。例如：USB線（xiàn）好多就在線上（shàng）加磁環。 開關電源入口，交流電是遠距離傳輸過來的就需要加。通常直流側不需要（yào）遠傳就（jiù）不需要加了。沒有共模幹（gàn）擾，加（jiā）了就是浪（làng）費，對電路沒（méi）有增益。

電源濾波（bō）器的設計通常可從共模和差模兩（liǎng）方（fāng）麵來考慮。共模濾波器最重要的部分就是共模扼流圈，與差模扼流圈相比，共模扼流圈的一個顯著優點在於它的電感值*，而且體積又小，設計共（gòng）模扼流圈時要考慮的一個重要問題是它的漏感，也就是差模電感。通常，計算漏感的辦法是假定它為共模電感（gǎn）的1%，實際上漏感為共模電感的0.5% ～4%之間。在設計*性能的（de）扼流圈時，這個誤差的影響可能是不容忽視的。

漏感的重要性

漏感是如何形（xíng）成的呢？緊密（mì）繞（rào）製，且繞滿一周的環形線圈，即使沒有磁芯，其所（suǒ）有（yǒu）磁通都集中在線圈“芯"內。但是，如果環（huán）形線圈沒有繞滿一周，或者繞製不緊密，那麽磁通就會從芯中泄漏出來。這種（zhǒng）效應與線匝間的相對距離和（hé）螺旋管芯體的磁導率（lǜ）成正比。

共模扼流圈有（yǒu）兩個（gè）繞組，這兩個繞組被（bèi）設計成使它（tā）們所流過的電流沿線圈芯（xīn）傳導時方向相反，從而使磁場（chǎng）為0。如果為了安全起見，芯體上的線圈不是雙線繞製，這樣兩個繞組之（zhī）間（jiān）就有相當大的間隙，自然就引起磁通“泄漏（lòu）"，這即是說，磁場（chǎng）在所關心的（de）各個（gè）點上（shàng）並非真正為0。共模扼流圈的漏（lòu）感是差模電（diàn）感。事（shì）實上，與差（chà）模有關的磁通必（bì）須在某點上離開芯體，換句話說，磁通在芯體外部形成閉合回路，而不僅僅隻局限在環形芯體內。

一般CX電（diàn）容（róng）可承受4000Vp的差模浪湧電壓衝擊，CY電容可承受5000Vp的共（gòng）模電壓衝擊。正確（què）選擇L1、L2和CX2、CY參數的大小（xiǎo），就可以抑製4000Vp以下的（de）共（gòng）模和差模浪湧電壓。但如果兩個CY電容是安裝在整機線路之中，其總容（róng）量不能超過5000P，如要抑製浪湧電壓超過4000Vp，還需選用耐（nài）壓更高的電容器，以及帶（dài）限幅功能（néng）的浪湧抑製電路。

所謂抑製，隻（zhī）不過是把尖峰脈衝的幅度降（jiàng）低了一些，然後把其轉換（huàn）成另一個脈衝（chōng）寬度相對比較寬，幅度較為平（píng）坦的波形輸出，但其能量基本沒有改（gǎi）變。

兩個CY電容（róng）的容量一般都很小，存儲的能量有限，其對（duì）共模抑製（zhì）的作用並不很大，因此（cǐ），對共模浪湧（yǒng）抑製主要靠電感L1和L2，但由於L1、L2的電感量也受到體積和成本的限製，一般也難以做得很大，所以上麵電路（lù）對雷電（diàn）共模（mó）浪湧電壓抑製作（zuò）用很有限。

圖（a）中L1與CY1、 L2與CY2，分別對兩路共模浪湧電壓進行（háng）抑製，計算時隻需計算其中一路即可（kě）。Ø對L1進行精確計算，須要求解一組2階微分方程，結果（guǒ）表明：電容充電是按正弦曲線進行，放電是按餘弦曲線進行。但（dàn）此計（jì）算方法比較複雜，這（zhè）裏采用比較簡單的方法（fǎ）。

共模（mó）信號是（shì）一個幅度為Up、寬度為τ的方波，以及CY電容兩端的電壓為Uc，測流過電（diàn）感的電（diàn）流為一（yī）寬度等於2τ的鋸齒波：

流過電感的電流為：

流過（guò）電感的最（zuì）大電流為：

在2τ期間流（liú）過電感的平均電流為（wéi）：

由此可以求得CY電容在2τ期（qī）間的電壓變化量（liàng）為（wéi）：

上麵公式是計算（suàn）共模浪湧抑製電（diàn）路中電感L和電容（róng）CY參數的計算公式，式中，Uc為CY電容兩端的電壓（yā），也是（shì）浪湧抑製電（diàn）路的（de）輸出電壓，∆Uc為CY電容兩端的（de）電壓變化（huà）量，但由於雷（léi）電脈衝的周期很長，占空比很小，可以認為Uc = ∆Uc，Up為共模浪湧脈衝的峰（fēng）值，q為CY電容（róng）存（cún）儲的電荷，τ為共模（mó）浪湧脈衝的（de）寬度，L為（wéi）電感，C為電容。

根據上麵公式，假設浪湧峰值（zhí）電壓Up=4000Vp，電容C=2500p，浪湧抑製（zhì）電路的輸出電壓Uc=2000Vp，則（zé）需要電感L的數值為1H。顯然這個數值非常大，在實際中很難實現，所（suǒ）以上（shàng）麵電路對雷電共模抑製的能力很有限，此電路還需進一步改進。

差模浪湧電壓抑製，主要是靠圖中的濾波電感L1、L2 ，和濾波電容CX ，L1、L2濾波電感和CX濾波電容等參數的選擇（zé），同樣可以用（yòng）下麵公式來（lái）進行計算。

但上式中的L應該等於L1和L2兩個濾波電感之和，C=CX，Uc等於差模抑製輸出電壓。一般，差模抑製輸出電壓應不大於600Vp，因為很多半導體器件和電容的最大耐壓都在此（cǐ）電壓附近，並且，經過L1和L2兩（liǎng）個濾波電感以及CX電容濾波之（zhī）後，雷（léi）電差模浪（làng）湧電壓的幅度雖然（rán）降低（dī）了，但能量基本上沒有降低，因為經過濾波之後，脈衝寬度會增加，一旦器件被擊穿，大部分都無法（fǎ）恢複（fù）到原來的狀態。

根據上麵公式（shì），假（jiǎ）設浪湧峰值電壓Up=4000Vp，脈衝寬度為50uS，差模浪湧抑製電路的輸出電壓（yā）Uc=600Vp，則（zé）需要LC的數值為14mH×uF。顯然，這個數值對於一般電子產品的（de）浪（làng）湧抑製電路來（lái）說還是比較大的，相比之（zhī）下，增加電感量要（yào）比增加電容量更有利，因此（cǐ）最好選用（yòng）一種有3個窗口、用矽鋼片作鐵（tiě）芯，電感量相對較大（大於20mH）的電感作為浪湧電感，這種電感共模和差模電感量都（dōu）很大，並且不容易飽和。 順便指出，整流電路後麵的電解濾波電容（róng），同樣也（yě）具有抑製浪湧脈衝（chōng）的功能，如（rú）果把此功能也算上，其輸出電壓Uc就（jiù）不（bú）能（néng）選600Vp，而隻能選為電容器的最高耐（nài）壓Ur（400Vp）。

4、雷擊浪湧脈衝電壓抑製常用器件 

避（bì）雷器件主要有陶瓷氣體放電管（guǎn）、氧化鋅壓敏電阻、半導體閘流管（TVS）、浪湧抑（yì）製電感線（xiàn）圈、X類浪湧抑製電容等，各（gè）種器件要組合使用。

氣體放電管的（de）種類很多，放電電流一般都很大，可達數（shù）十kA，放電電壓比較高，放電管從點火到放電需要一定的時間，並且存在殘存電壓，性能不太穩定；氧化鋅壓敏電阻伏安特性比（bǐ）較好，但受功率的限製，電流相對比（bǐ）放（fàng）電管小，多次（cì）被雷電（diàn）過流擊穿後，擊穿電壓值（zhí）會下降，甚至會失效（xiào）；

半導體TVS管伏安特性（xìng）最好，但功率一般都很小（xiǎo），成本比較高；浪湧抑製線圈是最（zuì）基本的防雷器件，為防流（liú）過電網交流電飽和，必須選用三窗口鐵芯（xīn）；X電容也是必須（xū）的，要選用容許紋波電（diàn）流較大的電容。

氣體放電管

氣體放電管（guǎn）指作過電壓保護用的（de）避雷.管（guǎn）.或天線（xiàn）開關管一類，管內有二個或（huò）多個電極，充有一定量的惰性氣（qì）體（tǐ）。氣體放電管是一種間隙式（shì）的防雷保護元件，它用在通信係統的防雷保護。

放電管的工作原理是氣體（tǐ）間（jiān）隙（xì）放電i當放電管兩極之間施加一定電壓時，便在極間（jiān）產生不（bú）均（jun1）勻電場：在（zài）此電場（chǎng）作用下，管內氣體開始遊離，當外加（jiā）電壓增大到使極間場強超過氣體的絕緣強度時，兩（liǎng）極之間的間隙（xì）將放電擊穿，由原（yuán）來的絕緣狀態轉化為導電狀態，導（dǎo）通後放電管兩極之間的電壓維持在（zài）放電弧道所決定的殘壓水平，這種殘壓一般很低，從而使得與放電管並聯（lián）的電子設備免受過電壓的損壞。

氣體放電管有的是（shì）以玻璃作為管子的封裝外殼．也有的用陶瓷作為封（fēng）裝外殼（ké），放電管內充入電氣性能穩定的惰性氣體（如氬氣和氖氣等），常用放（fàng）電管的放（fàng）電電極一般為（wéi）兩個、三個，電極之間由惰性氣體隔開（kāi）。按（àn）電極個（gè）數的設置來（lái）劃分（fèn），放電管（guǎn）可分為二（èr）極、三極放電管。

陶瓷二極放電管由純鐵電極、鎳（niè）鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要（yào）部件構成。管內放電電極（jí）上塗覆有放（fàng）射性氧化物，管體內壁也塗覆有放射性元（yuán）素，用於改善放電特性。

放電電極主要有杆形和杯（bēi）形兩種結（jié）構，在杆形電極（jí）的放電（diàn）管中，電極與管體壁之間還要加裝一個圓筒熱屏，該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨於均勻，不致（zhì）出現局部過熱而引起管斷裂。熱屏內也塗覆放射性氧化物，以（yǐ）進一步減小放電分散性。在杯形電極的放（fàng）電管中，杯口處裝有（yǒu）鉬網，杯內裝有（yǒu）銫元素，其作用也是減小放電分散性。

三極放電管也是由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等部件構成（chéng）。與二（èr）極放電管不同，在三極放電管中增加了鎳鉻鈷合金圓筒，作為第三極，即接地電極。

主要參數：

（1）直流擊穿（chuān）電壓。此值（zhí）由施加一個（gè）低上升速率（dv/dt=100V/s）的電壓（yā）值來決定。

（2）衝擊（或浪湧（yǒng））擊穿電（diàn）壓。它代表放電管的動態特（tè）性，常用上升速率（lǜ）為dv/dt=1kV/us的電壓值來決定。

（3）標稱衝擊放電電流。8/20us波形（前沿8us，半（bàn）峰持續時間20us）的額定放電電流，通常放電（diàn）10次。

（4）標準放電電流（liú）。通過50Hz交流電流的額（é）定有效值，規定每次放電的時間（jiān）為1s，放電10次。

（5）最大單（dān）次衝擊放電電流。對8/20us電流波的單次最大放電電流。

（6）耐工頻電流值。對8/20us電流波的單次最大（dà）放電電流。對50Hz交流電，能經受連續9個周波（bō）的（de）最大電流的有效值。

（7）絕緣電阻（zǔ）。對8/20us電（diàn）流波的單次最大放電電流（liú）。對50Hz交流電，能經受（shòu）連續（xù）9個周（zhōu）波的最大電流的有（yǒu）效（xiào）值。

（8）電容。放（fàng）電管電極間的（de）電容，一般在2～10pF之（zhī）間，是（shì）所有瞬變幹擾吸收器件中最小的。

金屬氧化物壓敏電阻

壓敏電阻一般都是以氧化鋅為主要成分，另加少量的其它金屬氧化（huà）物（顆粒），如：鈷、猛、鉍等（děng）壓製而成。由於兩種不同性質的物體組合（hé）在一起，相當於一個PN結（jié）（二極（jí）管），因此，壓敏電阻相當於眾多的PN結串、並聯組成。

5、超高浪湧（yǒng）電壓抑（yì）製電路 

實例1

上圖是一個可抗擊（jī）較強雷電浪湧脈衝電壓的電原理圖，圖中：G1、G2為氣體放電管，主要用於（yú）對高壓共模浪湧脈衝抑製，對高壓差模浪湧脈衝也同樣具有抑製能力；VR為（wéi）壓敏電阻，主要用於對高壓差模浪湧脈（mò）衝抑製。經（jīng）過G1、G2和VR抑製後（hòu），共模和差（chà）模浪湧脈衝的幅度和能量均大幅度降低。

G1、G2的擊穿電壓可選1000Vp~3000Vp，VR的壓敏電壓一般取（qǔ）工頻電壓最大值的1.7倍。

G1、G2擊穿後會產生後續電流，一定要加保險絲以防後續電流過大使（shǐ）線路短路

實例2

增加了兩個壓敏電阻VR1、VR2和（hé）一個放（fàng）電管G3，主要（yào）目（mù）的是加強對共（gòng）模浪湧電壓的抑製，由於壓敏電（diàn）阻有漏電流，而一般（bān）電（diàn）子產品都對漏電流要求很（hěn）嚴格（小於0.7mAp），所以圖中加了一個放電管G3，使平時電路對（duì）地的漏電流等於0。G3的擊穿電壓要遠小於G1、G2的擊穿電壓，采（cǎi）用G3對漏電隔離後，壓敏電阻VR1或VR2的擊穿電（diàn）壓可相應（yīng）選得比較低（dī），VR1、VR2對（duì）差模浪湧電壓也有很強的抑製作用。

實例3

G1是一個三端放電管，它相當於把（bǎ）兩個二端放（fàng）電管安裝在一個殼（ké）體中（zhōng），用它可以代替上麵兩個實例中的（de）G1、G2放電管（guǎn）。除了二端、三端放電管之（zhī）外（wài），放電管還有四端、五端的，各放電管的用途也（yě）不*相同。

實例4

增（zēng）加了兩個壓（yā）敏電阻（VR1、VR2），主要（yào）目（mù）的是為了隔斷G1擊穿後產生的後續電（diàn）流，以防後續電流過大（dà）使輸入電路短路，但由於VR1、VR2的（de）最大峰值電流（liú）一般（bān）隻有G1的幾十分（fèn）之一，所（suǒ）以，本（běn）實例對（duì）超高浪湧電壓（yā）的抑製能力相對（duì）實例3要的抑製能力差很多。

實例5 直接在PCB板上製作避雷裝置

在PCB板上直接製作放電避雷裝置，可以代（dài）替防雷放電管，可以抑（yì）製數萬（wàn）伏共模或差模（mó）浪湧電壓衝擊，避雷（léi）裝置電極（jí）之間距離一般要求比較嚴格，輸入電壓為（wéi）AC110V時，電極之間距離可選4.5mm，輸入電壓為AC220V時，可選（xuǎn）6mm；避雷裝置的中間電極一定要接到三端電源線與PCB板連接的（de）端口上（shàng）。

實例（lì）6 PCB板氣隙放電裝置代替放電管

在PCB板上直接製作氣隙放電裝置，正常放電電壓為每毫米1000~1500V，4.5mm爬電距離的放電電壓大約為4500~6800Vp，6mm爬電距離（lí）的放電電壓大（dà）約為6000~9000Vp。

6、各種防雷器（qì）件的連接 

避（bì）雷器件的安裝順序不能搞錯，放（fàng）電管必須在最前麵，其次是（shì）浪湧（yǒng）抑製電感和壓敏電阻（或放電管），再其（qí）次才是（shì）半導體TVS閘流管或X類電容（róng）及Y類電容。