杜佐兵
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产品可靠性设计-浪涌和雷电脉冲波的瞬态抑制

雷电是由雷云放电引起的,关于雷云的聚集和带电至今还没有令人满意的解释,目前比较普遍的看法是:热气流上升时冷凝产生冰晶,气流中的冰晶碰撞后分裂导致较轻的部分带负电荷并被风吹走形成大块的雷云;较重的部分带正电荷并可能凝聚成水滴下降,或悬浮在空中形成一些局部带正电的云区。整块雷云可以有若干个电荷中心。负电荷中心位于雷云的下部,离地大约500-10000m。它在地面上感应出大量的正电荷。

随着雷云的发展和运动,雷云中积聚了大量的电荷,一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度(大气中约为30kV/cm,有水滴存在时约为10kV/cm)时,就会发生不同极性的雷云之间、或雷云对大地的火花放电。在防雷工程中,主要关心的是雷云对大地的放电。

雷云对大地放电通常分为先导放电和主放电两个阶段。云与地之间的线状雷电在开始时往往从雷云边缘向地面发展,以逐级推进的方式向下发展。每级长度约为10~200m,每级的伸展速度约为107m/s,各级之间有10~100us的停歇,所以平均发展速度只有(1~8)×105m/s。以上是负电荷雷云对地放电的基本过程,可称为下行负雷闪;对应于正电荷雷云对地放电的下行正雷闪所占的比例很小,其发展过程亦基本相似。

观察结果显示,大多数云对地雷击是重复的,即在第一次雷击形成的放电通道中,会有多次放电尾随,放电之间的间隔大约为0.5~500ms。主要原因是:在雷云带电的过程中,在云中可形成若干个密度较高的电荷中心,第一次先导到主放电冲击泄放的主要是第一个电荷中心的电荷。在第一次冲击完成之后,主放电通道暂时还保持高于周围大气的电导率,别的电荷中心将沿已有的主放电通道对地放电,从而形成多重雷击。第二次及以后的放电,先导都是自上而下连续发展的,没有停顿现象。通常第一次冲击放电的电流最大,以后的电流幅值都比较小。

浪涌和雷电试验中使用的脉冲类型包括:双指数脉冲和阻尼正弦波脉冲。在这两者之中,双指数脉冲的抑制时最难的。它的脉冲持续时间要比阻尼正弦波的长。此外,这两种脉冲都是非振荡的,当施加给元器件时,流过的电荷是单向的且不能进行放电,直到具有威胁的这种脉冲信号通过该元器件。

瞬态抑制器的类型包括气体放电管、瞬态电压抑制器TVS、金属氧化物压敏电阻MOV、二极管和其它的基本滤波器件。

虽然雷电流的幅值随气象条件相差很大,但全球测得的雷电流波形却是

基本一致的。国际电工委员会(IEC)和我国国家标准都规定了标准雷电流的波形,如下图所示。图中波头时间1.2us,波长时间50us。根据实测统计,雷电流的波头时间大多为1~5us,平均为2~2.5us。雷电流的波长大多为20~100us,平均约为50us,大于50us的仅占18~30%。

对于高能量的脉冲,假设能量是由方波脉冲产生的。计算能量的公式:

E=P·t=V·I·t=V2t/R 

E-能量(J);P-功率(W);V-峰值电压(V);I-峰值电流(A);R-电阻或阻抗(Ω);t-脉冲持续时间(S)

对于产生浪涌和雷电的源,其阻抗大约为ESD源和EFT源的1/100,而脉冲持续时间大约为ESD源和EFT源的1000倍。这导致浪涌和雷电脉冲产生的能量是EFT或ESD脉冲产生的能量的成千上万倍。

与浪涌相关的几个方面

(1)了解产品的测试标准。需要满足哪些试验电平和波形

(2)了解脉冲的能量。

(3)在接口设计时要满足优先防护的设计 再进行滤波设计。

(4)对于瞬态干扰电流,其返回路径是非常重要的。把能量从受试位置转移到某些返回路径,转移路径必须具有低阻抗且必须能够承受所产生的大电流。比如采用单个通孔的设计做为返回电流路径是不合适的。在测试过程中将会出现故障。同时一定要确保为能量设置的路径是脉冲的实际返回路径。如果脉冲被放置在电源和孤立的外壳之间,那么脉冲想要直接走从电源到外壳的返回路径将是不大可能的。

对于交流输入电网到产品开关电源输入端的典型浪涌防护设计如下图所示:

采用限压器件增加抗浪涌冲击能力,根据浪涌能量来评估端口器件的可靠性,接口电路的器件规格参数以及封装根据裕量计算进行选型;同时在入口增大阻抗,削弱浪涌电流;

对于户外的长线通讯系统,通常会受到感应雷的影响,带来系统的可靠性设计问题;其典型的浪涌防护设计参考如下图所示:

先采用开关型器件泄放浪涌电流,这时要保障浪涌能量泄放路径良好。对于电路设计要评估浪涌的危害及常常发生的故障现象:

A过压效应:比如二极管的反向耐压、开关MOS器件反向击穿等在过压效应下,极容易击穿损坏。

B过电流效应:电路中开关器件的正向通流等,正向的短时能力发生热击穿,不可恢复。

C过功率效应:比如TVS等防护器件,流入一个持续时间较长的短时电流,因为耗散功率不足,导致温过高烧毁。

D电路设计故障:比如PCB设计的布线铜箔,因为电流通流量的影响,出现PCB走线烧毁的现象。

相关内容可参考《开关电源电磁兼容分析与设计》第8章的内容。

还有很关键的PCB及关键器件的设计问题;比如下图PCB设计;

A.接口电路地回路的PCB走线良好,区分大电流回路和小信号回路,有可靠的回流路径;

B.端子接口处接泄放电容;

注意:测试时出现器件损坏或冒烟都表示某些器件已经损坏。一定要注意:有些器件的设计,其损坏时要为开路。否则,当元器件损坏时,其会产生从电源线到返回路径或外壳的短路。

损坏的原因是由于瞬态抑制器的额定电压不合适或其安装位置不当。注意:要知道测试脉冲的总能量,然后选择合适的元器件与之相匹配。对于较高电平的测试试验,和其它输入滤波器的元件相比这些瞬态抑制器件的封装尺寸可能相当大,因此对其进行安装可能是一种挑战。

对浪涌的设计是在标准的电源线输入上设计浪涌保护器。这将在相线和中线与外壳地之间增加压敏电阻MOV。一定要确保MOV的额定电压满足所用线电压的要求。

对于产品及系统级的浪涌防护设计,其防护方案系统图如下:

防护方案结构基本原则-3原则

Ø多级防护:大容量在前,小容量在后

Ø逐级释放:粗犷在前,精密在后

Ø退耦必不可少

浪涌防护器件的选型-4要点

1.防护器件的允许工作电压大于电路最大工作电压

2.防护元器件的最大钳位电压小于电路的安全电压

3.防护器件的通流量大于可能出现的最大浪涌电流

4.电源防护时,注意产品的绝缘耐压测试

产品问题的发生也是跟我们产品设计可靠性相关联的

更多的电子产品电路可靠性设计系列,会逐渐为大家解开这些设计方面的坑,让电子设计工程师少走弯路,敬请关注!

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