通過6個實例（lì）電路分析（xī），詳解（jiě）雷擊浪湧的防護

1、電子設備雷擊浪湧抗擾（rǎo）度試（shì）驗標準

電子設備雷擊浪湧抗擾度（dù）試驗的國家標準為GB/T17626.5（等同於國際標準（zhǔn）IEC61000-4-5 ）。

標準主要是模擬間接雷擊產（chǎn）生的各種情況（kuàng）：

  （1）雷電擊中外部（bù）線路，有（yǒu）大量電流（liú）流入外部線路或接地電（diàn）阻，因而產生的幹擾電

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

  （3）雷電擊中線（xiàn）路鄰近物體，在其周圍建立的強大電磁場（chǎng），在外部線路上感應出電壓。

  （4）雷電擊中鄰近地麵，地電流通過公共（gòng）接地係統時所引進的幹擾。

標準除了模擬雷擊外，還模擬變電所等場合，因開關動作而引進的幹擾（開關切換時引起電壓瞬變），如：

  （1）主電源係統切換時產生的幹擾（如電容器（qì）組的切（qiē）換（huàn））。

  （2）同一電（diàn）網，在靠（kào）近設備附近的一些較小開關（guān）跳動時的幹擾。

  （3）切換伴有諧振線（xiàn）路的晶閘管設備（bèi）。

  （4）各種係統性的故障，如設備接地（dì）網絡或接地係統間的短路和飛弧故障。

標準描述了兩（liǎng）種不同的波形（xíng）發生器：一（yī）種是雷（léi）擊在電源線上感應生產的波形；另（lìng）一種是在通信線路上感應（yīng）產生的波形。

這兩種線路都屬（shǔ）於空架線，但線路的（de）阻抗各不相同：在電（diàn）源線上感應產生的浪（làng）湧波形比較（jiào）窄一（yī）些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信（xìn）線上（shàng）感應產生的（de）浪湧波形比較寬一些，但前沿要（yào）緩一些。後麵我們主要以雷擊在電（diàn）源（yuán）線上感應生（shēng）產的波（bō）形來對電路進行分析，同時也對通信線路的防（fáng）雷技術（shù）進行簡單介紹。

2、模擬雷擊浪湧脈（mò）衝生成（chéng）電路的工（gōng）作原理

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

圖（tú）中Cs是儲能電容（大約為10uF，相當於雷雲電容）；Us為高（gāo）壓電（diàn）源；Rc為充電電阻；Rs為脈衝持續時間（jiān）形成（chéng）電阻（放電曲線形成電阻）；Rm為阻（zǔ）抗匹配電阻Ls為電流上升形成（chéng）電感。

雷擊浪湧抗擾度試驗（yàn）對不同產品有不同的參數要求，上圖中的（de）參（cān）數可根據產（chǎn）品標準要（yào）求不同，稍有改動。

基本參數要求（qiú）：

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

（2）短（duǎn）路（lù）輸出電流：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（bú）同等級試驗

（4）湧輸（shū）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（zhōng）一次。

雷擊浪湧抗擾度試驗（yàn）的嚴酷等級分為5級:

1級：較好保護的環境；

2級：有一定保（bǎo）護的環（huán）境；

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

4級（jí）：受嚴重騷擾的環（huán）境，如民用空架線、未加保護的高（gāo）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，但大到一定值之後，基本上（shàng）就沒有太大意義。

10歐姆電阻以及9uF電容，可根據嚴酷等級不同，選擇數值也不同，電阻最（zuì）小值（zhí）可選為0歐姆（美國標準就是這（zhè）樣）， 9uF電容（róng）也可以選得很大，但大到一定值之後，基本上就沒有太大意義。

3、共模浪（làng）湧抑製電路

防浪湧設計時（shí），假定共模（mó）與差模這兩部分是彼此獨立的。然而，這兩（liǎng）部分（fèn）並非真（zhēn）正獨立，因為共模（mó）扼流圈可以提供（gòng）相當大的差模（mó）電（diàn）感。這部分差模電感可由分立（lì）的差模（mó）電感來模擬。

為了利用差模電感，在設計（jì）過程中，共模與差模不應同時進行，而應該按照一定的順序來做。首先（xiān），應該測量共模噪聲並（bìng）將其濾除掉。采用差模抑製網絡（Differential Mode Rejection Network），可以將差（chà）模成分消除，因此就可以（yǐ）直接測量共模噪聲了（le）。

如果設計的共模濾波（bō）器（qì）要（yào）同（tóng）時使（shǐ）差模噪聲不超過允許範圍，那麽就應測量共模與差模的混合噪聲。因為已知共模成分在噪聲容限以下，因此超標（biāo）的（de）僅是差模成分，可用共模（mó）濾波器的差模漏感來衰（shuāi）減。對於低功率電源（yuán）係統，共模扼流圈的差模電感足以（yǐ）解決差模輻射問（wèn）題，因為差模輻射的源阻抗（kàng）較小，因此隻有極少（shǎo）量的電感是有效的。

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（píng）滑濾波，把脈衝信號盡量（liàng）壓低到2~3倍脈衝信號平均值的水（shuǐ）平（píng）即可。電感很容易飽和，因此，L1、L2一（yī）般都采用一（yī）種漏感很大的共模電感。

用在交流，直流（liú）的都有，通常我們在電源EMI濾波器，開關電（diàn）源中常見到，而直流側少見，在汽車電子中能（néng）夠看到用在直流側。
加（jiā）入共模電感是為了消除並行（háng）線路上的共模幹（gàn）擾（rǎo）（有兩線的，也有多線的）。由於（yú）電路上兩線（xiàn）阻抗（kàng）的不平衡，共模幹擾最終體現在差模上。用差模濾波方法很難濾除。
共模電感到底需要用在哪。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（liú）還是直流（liú），你有長線傳輸，就涉及到共模濾波就得加共模（mó）電感。例如：USB線好多就在線上加磁環。 開關電源入口，交流電是遠距離傳輸過來的就需要（yào）加。通常直（zhí）流側（cè）不需要遠（yuǎn）傳就不需要加了。沒有共模幹擾，加了就是浪費，對電路沒有（yǒu）增（zēng）益。

電源（yuán）濾波器的設計通常可從共模和差模兩方麵來考慮。共模濾波器最重要的部分（fèn）就是共模扼流圈，與差模扼流圈相比，共模扼流圈（quān）的一個（gè）顯著優點在於它的電感值*，而且體積又小，設計共模扼流圈時要考慮的（de）一個重要（yào）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的（de）1%，實際上漏感為共模電感（gǎn）的0.5% ～4%之間。在設計*性能的扼流圈時，這個誤差的影響可能是不容忽視的。

漏感的重要性

漏感是如何形成的呢？緊（jǐn）密繞製，且繞滿一周的環（huán）形線圈，即使沒有磁芯，其所有磁通都集中在（zài）線圈“芯"內。但是，如果環形線圈（quān）沒有繞（rào）滿一周，或者繞（rào）製不緊密，那麽磁通就會從芯（xīn）中泄漏出來。這種效應與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導（dǎo）率成正比。

共模扼流圈有兩個（gè）繞組，這（zhè）兩個繞組被設計成使（shǐ）它們所流過的（de）電流沿線圈芯傳導時方向相反，從（cóng）而使磁場為0。如果為了安全起見，芯體上的線圈不是雙線繞製，這樣兩個繞組之間就有相當大的（de）間隙，自然就引起（qǐ）磁通“泄漏"，這（zhè）即是說，磁場在所關心的各個點上並非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實上，與差模有關的磁通必須在某點上離開（kāi）芯體，換句話說，磁通在芯體外部形成閉合回路，而不僅（jǐn）僅隻（zhī）局限在環形芯體內。

一般CX電容可承（chéng）受4000Vp的差模浪湧電壓（yā）衝（chōng）擊，CY電容可承受5000Vp的共模電壓衝擊。正（zhèng）確選擇L1、L2和CX2、CY參數（shù）的大小，就可以抑製（zhì）4000Vp以下的（de）共模和差（chà）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（zǒng）容量不能超過5000P，如（rú）要抑（yì）製浪（làng）湧（yǒng）電壓超過4000Vp，還（hái）需選（xuǎn）用（yòng）耐壓（yā）更高（gāo）的電容器，以及帶限幅功能的浪湧抑製電（diàn）路。

所謂抑製，隻不過是把尖峰脈衝的幅度降低了一些，然後把其轉換成另一個脈衝寬度相對（duì）比較寬，幅度較為（wéi）平（píng）坦的（de）波形輸出（chū），但（dàn）其（qí）能量基本沒有改變。

兩個（gè）CY電容的容量一般都很小，存儲的能量有限，其（qí）對共模抑製的作用並不很大，因此（cǐ），對共模浪湧抑製主要靠電感L1和L2，但由於L1、L2的電感量（liàng）也受到體積和成本的限製，一般（bān）也（yě）難以（yǐ）做得很大，所以上麵電路對雷電共模浪湧電壓抑製作（zuò）用很有限。

圖（a）中L1與CY1、 L2與CY2，分別對兩路共模浪湧（yǒng）電壓進行抑製，計算時隻需計算其中一路即可。Ø對L1進行精確計算，須要求解一組2階微分方（fāng）程，結果表明（míng）：電容充電是按正弦曲線進行，放電是按餘弦曲線進（jìn）行。但此計算方（fāng）法比較複雜，這裏采用比較（jiào）簡單的方（fāng）法。

共模信號是一個幅度為Up、寬度為τ的方波，以及CY電容兩端的電（diàn）壓（yā）為（wéi）Uc，測流（liú）過電感的電流為一寬度（dù）等於2τ的鋸齒波（bō）：

流過電感的電流為：

流過（guò）電感的最大電流為：

在2τ期（qī）間流（liú）過電感的平（píng）均電流（liú）為：

由此可以求得（dé）CY電容在2τ期間的（de）電壓變（biàn）化量為：

上麵公（gōng）式是計算共模浪湧（yǒng）抑製電路中電感L和電容CY參數（shù）的計算公式，式中，Uc為CY電容兩端（duān）的電壓，也是浪湧抑製電路的輸出（chū）電壓，∆Uc為（wéi）CY電容兩端（duān）的電（diàn）壓變化量，但由於雷電脈衝的周期很長，占空比很（hěn）小，可（kě）以認為Uc = ∆Uc，Up為共模浪湧脈衝的峰值，q為（wéi）CY電容存儲的電荷，τ為共模浪湧脈衝的寬度，L為電感，C為電容。

根（gēn）據上麵公式，假設浪湧峰值電壓Up=4000Vp，電容（róng）C=2500p，浪湧抑製電路的（de）輸出電壓Uc=2000Vp，則需要電感L的數值為1H。顯然這個數值非常大，在實（shí）際中很難實現，所以上麵電路對雷電共模抑（yì）製的能（néng）力很有限，此電路還需進一步改進。

差模浪湧電壓抑製，主（zhǔ）要是靠圖中（zhōng）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（shù）的選擇，同樣可以用（yòng）下麵公式來進行計（jì）算（suàn）。

但上式中的L應該等於L1和L2兩個濾波電感之（zhī）和，C=CX，Uc等於差模抑製輸出電壓（yā）。一般，差模抑製（zhì）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電壓（yā）附近（jìn），並且，經過L1和L2兩個濾波電（diàn）感以及CX電容濾波之後，雷電差模浪湧電壓的幅度雖然降低（dī）了，但（dàn）能量（liàng）基本（běn）上沒有降低，因為經過濾波之（zhī）後，脈衝寬度會增加，一旦器件被擊（jī）穿，大部分都無法恢複到原來的狀態。

根據上麵公（gōng）式，假設浪湧峰值電（diàn）壓Up=4000Vp，脈衝（chōng）寬度為（wéi）50uS，差模（mó）浪湧抑製電路的輸出電壓Uc=600Vp，則需要LC的數值為（wéi）14mH×uF。顯然，這個數值對於一（yī）般（bān）電子產品的浪湧抑製電路來說還是比較大的，相比之下（xià），增（zēng）加電感量要比增加電容（róng）量更有利（lì），因（yīn）此最好選用一種有3個窗口（kǒu）、用矽（xī）鋼片作鐵（tiě）芯，電感量相對較大（dà）（大於20mH）的電（diàn）感作為浪湧電（diàn）感，這種電感共模和差模電感量都很大，並且不容易飽和。 順便指出，整流電路後麵的電解（jiě）濾波（bō）電容，同樣也具有抑製浪湧脈衝的功能，如果把（bǎ）此功能也（yě）算上，其輸出電（diàn）壓Uc就不能選600Vp，而（ér）隻（zhī）能選為電（diàn）容器的最高耐壓Ur（400Vp）。

4、雷擊浪湧脈衝電壓抑製常用器件 

避雷器件主要有陶瓷氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、半導體（tǐ）閘流管（TVS）、浪湧抑製電感線圈、X類浪湧抑（yì）製電容等（děng），各種器件要組合使用。

氣體放電管的種類很多，放電電流一般都很大，可（kě）達數十kA，放電電壓比較高，放電管（guǎn）從點火（huǒ）到放電需要一（yī）定（dìng）的時間，並（bìng）且存在殘存電壓，性能不太穩定；氧化鋅壓敏電阻（zǔ）伏安特性比較（jiào）好，但受功率的限製，電流相對（duì）比放電管小，多次被雷電過流（liú）擊（jī）穿後，擊（jī）穿電壓值會下（xià）降（jiàng），甚至會（huì）失（shī）效；

半導體TVS管伏（fú）安特性最好，但功率一般都很小，成本比較高；浪湧抑製線圈是最基本的（de）防雷器件（jiàn），為防流過電網交流電飽和，必須選用三窗口鐵芯；X電容也是必須的，要選用容許紋波電流較大（dà）的電（diàn）容。

氣體放電管

氣體放電管指作（zuò）過（guò）電壓保護用的避雷（léi）.管.或天線開關管一類，管內有二個或（huò）多個電極，充有一定量的惰性氣體。氣體放電管是一種間隙式的防雷保（bǎo）護元件（jiàn），它用在通信係統的防雷保護。

放（fàng）電（diàn）管的工作原理是氣體間隙放電i當放電管兩極之間施加一定電壓時，便在極間產生不均勻電場：在此電場作用下，管內氣體（tǐ）開始遊離，當外（wài）加電壓增大到使極間場強超過氣體的絕緣強度時，兩極之（zhī）間的間（jiān）隙將放電擊（jī）穿，由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態，導通後（hòu）放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平，這種殘壓一般很低（dī），從而使得與放電管並聯的（de）電子設備免受過電壓的損壞。

氣體放電管有的是以玻璃作為（wéi）管子（zǐ）的封裝外殼．也（yě）有（yǒu）的用陶瓷作（zuò）為封裝外殼，放電管內充入電氣性能穩定的惰性氣體（如氬氣和氖氣等），常用放電管（guǎn）的放電（diàn）電極一般為兩個、三個，電極之間由惰性氣體隔開。按電極個數（shù）的設（shè）置（zhì）來劃分，放電管可分為二（èr）極（jí）、三極放電管。

陶瓷二極放（fàng）電管由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽（mào）和陶瓷管體等（děng）主要部件（jiàn）構成。管內放電電極上塗覆有（yǒu）放射（shè）性氧化物（wù），管體（tǐ）內壁也塗覆（fù）有放射性元素，用於改善放電特性。

放電電極主要有杆形和杯形兩種結構，在杆形電極的放電管中，電（diàn）極與管體壁之間還（hái）要加裝（zhuāng）一個圓筒熱屏，該熱屏可以使陶瓷管體受（shòu）熱趨於均勻（yún），不致出現局部過熱而引起（qǐ）管斷裂。熱屏內也塗覆放射性（xìng）氧化物，以進一步減小放電分散性。在杯形電極的放電管中，杯口處裝有鉬網，杯（bēi）內裝有銫元素，其作用也是減小（xiǎo）放電（diàn）分散性。

三極放電管也是由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅（tóng）焊帽（mào）和陶瓷管體等部件構成。與二極放電管不同，在三（sān）極放（fàng）電管中增加了鎳鉻鈷合金圓（yuán）筒（tǒng），作（zuò）為第三（sān）極，即接（jiē）地電極。

主要參數：

（1）直流（liú）擊穿電（diàn）壓。此值由施加一個低上升速率（dv/dt=100V/s）的電壓值來決定。

（2）衝擊（或（huò）浪湧）擊穿電壓。它代表（biǎo）放電管（guǎn）的動態特（tè）性，常用上升速率為dv/dt=1kV/us的電壓值來決定。

（3）標稱衝擊放電（diàn）電流。8/20us波形（前沿8us，半峰持（chí）續時間20us）的（de）額定放電電流，通常放電10次（cì）。

（4）標準放電電流。通過50Hz交流電流的額定有效值，規定每次（cì）放電的時間為1s，放電10次（cì）。

（5）最（zuì）大單次衝擊放電電流。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（dān）次最大放電電流（liú）。對50Hz交流電，能經受連續9個周波的最大電流的有效值。

（7）絕緣電阻。對8/20us電流波的單（dān）次最大（dà）放電電流（liú）。對（duì）50Hz交流電，能經受連（lián）續9個周波的最大電流的有效值。

（8）電（diàn）容。放電管電（diàn）極間的電容，一般在2～10pF之間，是所有瞬變幹擾吸（xī）收器件中最小的。

金屬氧化物壓敏電阻

壓敏電阻一般都是（shì）以氧化鋅為（wéi）主要成分，另加（jiā）少量（liàng）的其它金屬氧化物（顆粒），如：鈷（gǔ）、猛、鉍等壓製而成。由於兩種不同性質的（de）物體組合在一起，相當於一個PN結（二極（jí）管（guǎn）），因此，壓敏電阻（zǔ）相當於眾多的PN結串、並（bìng）聯組成。

5、超高浪湧（yǒng）電（diàn）壓抑製電路 

實例1

上圖是一個可抗擊較（jiào）強雷電浪湧脈衝電壓（yā）的電原理圖，圖中（zhōng）：G1、G2為氣體放電管，主要用於對高壓共模浪湧（yǒng）脈衝抑製（zhì），對高壓差模浪湧脈衝也同樣具有抑製能力；VR為壓敏電阻（zǔ），主要用於對（duì）高壓差（chà）模浪湧脈衝抑製。經過G1、G2和VR抑製後（hòu），共模和差模浪湧脈衝的幅度和能量均大（dà）幅度降低。

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

G1、G2擊穿（chuān）後會產生後續電流（liú），一定要加保（bǎo）險絲以防後續電（diàn）流（liú）過大使線路短路

實例2

增加了兩個壓敏電阻VR1、VR2和一個放電（diàn）管G3，主（zhǔ）要目的是加強對共模浪湧電壓的抑製，由於壓（yā）敏電阻有漏電流（liú），而一般電子產品都對漏電流（liú）要求很嚴（yán）格（小於0.7mAp），所以圖中加了一個放電管G3，使（shǐ）平時電路對地的漏電（diàn）流（liú）等於0。G3的（de）擊穿電壓要（yào）遠小於G1、G2的擊穿電壓，采用G3對漏電隔（gé）離後，壓敏電阻VR1或VR2的擊穿電壓可相應選得比較低，VR1、VR2對差模浪湧電壓也有（yǒu）很強的抑（yì）製作用（yòng）。

實例3

G1是一個三端放電（diàn）管，它相當於把兩個二端放（fàng）電管（guǎn）安裝（zhuāng）在一個殼體中，用（yòng）它（tā）可以代替上麵兩個實例中的G1、G2放電管。除了二端、三端（duān）放電（diàn）管之外，放電管還有四端（duān）、五端的，各放電管的（de）用途（tú）也不（bú）*相同（tóng）。

實例（lì）4

增加了兩（liǎng）個壓敏電阻（VR1、VR2），主要目的是為了隔斷G1擊穿後產生的後續（xù）電流，以防後（hòu）續電（diàn）流過（guò）大使輸入電路短路，但由於VR1、VR2的最大峰值電流一般隻有G1的幾十分之一（yī），所以，本實例對（duì）超高浪湧電壓（yā）的抑製能力相對實例3要的抑製能力差很多。

實例5 直接在PCB板上製作避（bì）雷裝置

在（zài）PCB板上直接製作放電（diàn）避雷裝置，可以代替防雷放電管，可以抑製數萬伏共模或差模浪湧電壓衝擊，避雷裝置電極之間距（jù）離一般要求（qiú）比較嚴格，輸入電（diàn）壓為AC110V時，電極之間（jiān）距離可選4.5mm，輸入電壓為AC220V時，可選6mm；避雷裝置（zhì）的中間電極一（yī）定要接到三端電源線與（yǔ）PCB板連接的端口上。

實例6 PCB板氣隙放電裝置代替放電管

在PCB板上直接製作（zuò）氣隙放（fàng）電裝置（zhì），正常（cháng）放電電壓為每（měi）毫米（mǐ）1000~1500V，4.5mm爬電距離的放電電壓大約（yuē）為4500~6800Vp，6mm爬電距離的放電電壓大約為6000~9000Vp。

6、各種防雷器（qì）件的連接 

避雷器件的安裝順序不能搞錯，放電（diàn）管必須在最前麵，其次是浪湧抑（yì）製電感和壓敏電阻（或放電管），再其次才是半導體TVS閘流管（guǎn）或X類電容及Y類電容（róng）。