通過6個實（shí）例電路（lù）分析，詳（xiáng）解（jiě）雷擊（jī）浪湧（yǒng）的防（fáng）護

1、電子設備雷（léi）擊浪湧抗（kàng）擾（rǎo）度試驗標準

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

標準主要是模（mó）擬間接雷擊產生的各種情況：

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

  （2）間接雷擊（如雲層間或雲（yún）層內的雷擊）在外部線路上（shàng）感應出電（diàn）壓和電（diàn）流。

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

  （4）雷電（diàn）擊中鄰近地麵，地電流通（tōng）過公共接地係（xì）統時所引（yǐn）進（jìn）的幹擾。

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

  （1）主電源係統切換時產生的幹擾（如電容器組的切換）。

  （2）同一電網，在靠近設備附近的一些（xiē）較小開（kāi）關跳（tiào）動時的幹擾。

  （3）切換伴有諧振線路的晶閘管設備。

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

標準描述了兩種（zhǒng）不同的波形發生器：一種是雷擊（jī）在電源線上感應生產的波（bō）形；另一種（zhǒng）是在通信線路上感應產生的波形。

這（zhè）兩種線路都屬於空架線，但線路的阻抗各不相同：在（zài）電（diàn）源線上（shàng）感應產生的（de）浪湧（yǒng）波形比較窄一些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信線上感應產生的浪（làng）湧波（bō）形（xíng）比較寬一些，但前（qián）沿要緩一些。後（hòu）麵我們主要以雷擊（jī）在電源線上感應生產的（de）波形來對電路進行分析，同時也（yě）對通信線（xiàn）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（zuò）原理

上圖是模擬雷電擊（jī）到配電設備時，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壓的脈衝產生電路。4kV時的單脈（mò）衝能量為100焦耳。

圖中Cs是儲能電容（大約為10uF，相當於雷雲電容）；Us為（wéi）高壓電源；Rc為充電電阻；Rs為脈衝持續時間形成電（diàn）阻（放電曲線形（xíng）成電阻）；Rm為阻（zǔ）抗匹配電阻Ls為電流上升形成電（diàn）感。

雷擊浪湧抗擾度試驗對不同（tóng）產品有不同的參數要求，上圖中的（de）參數可根據產品標準要求（qiú）不同，稍有改動（dòng）。

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（jí）由用戶與製造商協商確定（dìng）；

（2）短路輸出電（diàn）流（liú）：0.25～2kA，供不同等（děng）級（jí）試驗用;

（3）內阻：2 歐姆，附加電阻10、12、40、42歐姆，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（bù）時，移相0～360度；

（5）重複頻（pín）率：至少每分（fèn）鍾一（yī）次。

雷擊浪湧抗擾度試驗的嚴酷等級分為5級:

1級：較好保護的環境；

2級：有一定保護（hù）的（de）環境；

3級：普通的電磁騷（sāo）擾環境、對設備未規定特殊安（ān）裝要求，如工業性的工作（zuò）場所；

4級：受嚴重騷擾的環境，如民用空架線、未加保護的（de）高壓變電所。

X級（jí）：由用戶（hù）與製造（zào）商協商確定。

圖（tú）中18uF電（diàn）容，可根據嚴酷等級不同，選擇（zé）數值也可不同，但大到（dào）一定值之後，基本上就沒有太大意義。

10歐姆電（diàn）阻以及9uF電（diàn）容，可根據嚴酷（kù）等級不同，選擇數（shù）值也不同，電阻（zǔ）最小值可選為0歐姆（美國標（biāo）準就是這樣）， 9uF電容也可以選得很大，但大到（dào）一定值之後，基本上就沒有太大意義（yì）。

3、共模浪湧抑製電路

防浪湧設計時，假定共模與差模這兩部分是彼此獨立的。然而，這兩部分並非真正獨立，因（yīn）為共模扼流圈可以（yǐ）提供相當大的差模電感。這部分差模（mó）電感可由分立的差模（mó）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，而應該按照一定（dìng）的順序來做。首先（xiān），應該（gāi）測量共模噪聲並將其（qí）濾除掉。采用差模（mó）抑製網（wǎng）絡（Differential Mode Rejection Network），可以將差模成分消除，因此就可以直接測量（liàng）共模噪聲了（le）。

如果設計的共模濾波器要同時使差模噪聲不超過允許（xǔ）範圍，那麽就應（yīng）測量共模與差模的混合（hé）噪聲。因為已知共模成分在噪聲容限以下，因此超標（biāo）的僅是差模成分，可用共模濾波器的差模（mó）漏感來衰減（jiǎn）。對於低（dī）功率電源係（xì）統，共模扼（è）流圈的差（chà）模電感（gǎn）足以解決差模輻射（shè）問（wèn）題，因為差模輻射的源阻抗較（jiào）小，因此隻有極少（shǎo）量的電感是有效的。

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

用在交（jiāo）流，直流的都有，通常我們在電源EMI濾波器，開關電源中常見到，而直流側少見，在汽車電子中能夠看到用在直流側。
加入共模電感是為了消除並行線路上的共模幹擾（有兩線的，也有多線的）。由（yóu）於電路上兩線阻抗（kàng）的不平衡（héng），共模幹擾最終體現在差模上。用差模濾波方法很難濾除。
共（gòng）模電感到底需（xū）要（yào）用在哪。共模幹擾通常是電磁輻射，空（kōng）間（jiān）耦合過來的，那麽無（wú）論（lùn）是交流還是直流，你有長線傳輸（shū），就涉及到共模濾波就得（dé）加共模（mó）電感。例如：USB線好多就在線上加磁環（huán）。 開關電源入口，交流電是遠距離傳輸（shū）過來的就需要（yào）加（jiā）。通常直流側不需要遠傳就不（bú）需（xū）要加了。沒有共模（mó）幹擾，加了就是浪費，對電路沒有增益。

電源濾波器的設計通常可從共模和差模兩（liǎng）方麵來考慮。共模濾波器（qì）最重要的部（bù）分就是共模扼流（liú）圈，與差模扼流圈相比，共模扼（è）流圈的（de）一（yī）個顯著優點在於（yú）它的電（diàn）感值（zhí）*，而且體積又（yòu）小，設計（jì）共模扼流（liú）圈（quān）時要考慮的一個（gè）重要問（wèn）題是它的漏感，也就是差模電感。通常，計算漏感的辦法是（shì）假（jiǎ）定它為共模電感的1%，實際上漏感為共模電感的0.5% ～4%之間（jiān）。在設計*性能的扼流圈（quān）時，這（zhè）個誤差的影響可能是不容忽視的。

漏感的重要性

漏（lòu）感是如何形成的呢（ne）？緊密（mì）繞（rào）製，且繞滿一周的環形線圈（quān），即使沒有磁芯，其所有磁通都集中在線圈“芯"內。但是，如果環形線圈沒有繞滿一周，或者繞製不緊密，那麽（me）磁通就（jiù）會從芯中泄漏出來。這種效應與線匝（zā）間的相對距離和螺旋管芯體的磁導率成（chéng）正比。

共模扼流圈有兩個繞組，這（zhè）兩個（gè）繞組被設計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導時方向相反，從而使磁場為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間隙，自然就引起磁通“泄漏（lòu）"，這即是說，磁場在（zài）所關心的各個點上並非真正為0。共模扼（è）流圈的（de）漏（lòu）感是差模（mó）電感。事實上，與差（chà）模有關的磁通必須在某點上離開芯體，換句（jù）話說，磁通在芯體外部形成閉（bì）合回路，而不僅僅隻（zhī）局限在環形芯體內（nèi）。

一般CX電（diàn）容可承受4000Vp的差模浪湧電壓衝擊，CY電容可承受5000Vp的共模（mó）電壓衝擊。正確選擇L1、L2和CX2、CY參數的大（dà）小，就可以抑製4000Vp以下的（de）共模和差模浪湧電壓。但如果兩個CY電容是安裝（zhuāng）在整機線路之中（zhōng），其總容量不能超過5000P，如要抑製浪湧電壓超過4000Vp，還需選用耐壓更高的電容器（qì），以及帶限（xiàn）幅功能的浪湧抑製電路。

所謂抑製，隻不過是把尖峰脈（mò）衝的幅度降低了一些（xiē），然後把其轉換成另一個脈衝寬度相對比較寬，幅度較為（wéi）平坦的波形輸出，但（dàn）其能量基本沒有（yǒu）改變。

兩個（gè）CY電容的容量一般都很小，存儲的（de）能量有限，其對共模抑製（zhì）的作用（yòng）並（bìng）不很大，因（yīn）此，對（duì）共模浪湧抑製（zhì）主要靠（kào）電感（gǎn）L1和（hé）L2，但由於L1、L2的電感量也受到體積和成本的限（xiàn）製，一般也難（nán）以做得很大，所以上麵電路對雷電共模浪湧電壓抑製作用很有限。

圖（a）中L1與（yǔ）CY1、 L2與CY2，分別對兩路共模浪湧電壓進行抑製，計算時隻需計算（suàn）其中一路即可。Ø對（duì）L1進行精確計算，須要求解一組2階（jiē）微分方程，結果表明：電容充電是按（àn）正弦曲線進行，放電是（shì）按餘弦曲線（xiàn）進行。但（dàn）此計算方（fāng）法比較複雜，這裏采用比較簡單的方法。

共模信號是一個幅度為Up、寬度為τ的方波（bō），以及CY電容兩端的電（diàn）壓為（wéi）Uc，測流過電感的電流（liú）為一寬度等（děng）於2τ的鋸齒波：

流過電感的電流（liú）為：

流（liú）過電（diàn）感的最大電流（liú）為：

在2τ期間流過電感的平均電流為（wéi）：

由此可以求（qiú）得CY電容在2τ期間的電（diàn）壓變化（huà）量為：

上（shàng）麵公式是（shì）計算共模浪湧（yǒng）抑製電路中電感L和（hé）電容CY參數的計算公（gōng）式，式中，Uc為CY電容兩（liǎng）端的電壓（yā），也是浪（làng）湧抑製電路的輸（shū）出電（diàn）壓，∆Uc為CY電容兩端的電壓變化量，但由於雷電脈衝（chōng）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值，q為CY電容存儲的電（diàn）荷，τ為共模浪湧脈衝的寬度，L為電感，C為電容。

根據上麵公式，假設浪湧峰值電壓Up=4000Vp，電容C=2500p，浪湧（yǒng）抑製電路的（de）輸（shū）出電壓Uc=2000Vp，則需要電（diàn）感L的數值為1H。顯然（rán）這個數值非常大（dà），在（zài）實際中很難實現，所以上麵（miàn）電路對雷（léi）電共模抑製的能力很有限，此（cǐ）電路還需進（jìn）一步改進。

差模浪湧（yǒng）電壓抑（yì）製，主要是靠（kào）圖中的（de）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（děng）參數的選擇，同樣可以用下麵公式來進行計算。

但上式中的（de）L應該等於（yú）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。一般，差模抑製輸出電壓應不大於600Vp，因為很多（duō）半導體器件和電容的最大耐壓都在此電壓附（fù）近，並且（qiě），經過L1和L2兩個濾波電感以及CX電容濾波之後，雷電差模浪湧電壓的幅度雖然降低了，但能量基本上（shàng）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（chuān），大部分都無法恢（huī）複到原來的狀態。

根據上麵公式，假設浪湧峰值電壓Up=4000Vp，脈衝寬度為50uS，差模浪湧抑製電路的輸出電壓Uc=600Vp，則需要LC的數（shù）值為14mH×uF。顯然，這個數值對於一般電子產品的浪湧抑製（zhì）電路來說還是比較大的，相比之下（xià），增加電（diàn）感量要比增（zēng）加電容量更有利，因此最好選用一種有3個窗口（kǒu）、用矽鋼片（piàn）作鐵芯，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很大，並且（qiě）不容易飽和。 順便指出，整流電路（lù）後麵（miàn）的電解濾波電容，同樣也具有抑製浪（làng）湧脈衝的功能，如果把此功能也（yě）算上，其輸出（chū）電（diàn）壓Uc就不能選600Vp，而隻能選為（wéi）電容器的最（zuì）高耐壓Ur（400Vp）。

4、雷擊（jī）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、半導體閘流管（TVS）、浪（làng）湧抑製電感線圈、X類浪湧抑製電容等，各種器件要組（zǔ）合（hé）使用。

氣體放（fàng）電管的（de）種類很多（duō），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（ān）特性比較好，但受功率的限製，電流（liú）相對比放電管小，多次被雷電過流（liú）擊穿後，擊穿電壓值會下降，甚至會失效；

半導體TVS管伏（fú）安特性最好，但（dàn）功率一般都很小，成本（běn）比較高；浪湧抑製線（xiàn）圈是最基本的防雷器件，為防流過電網交流電飽和，必須選用三窗（chuāng）口鐵芯；X電（diàn）容也是必須的，要選用容許紋（wén）波（bō）電流較大的（de）電容。

氣體放電管

氣體放電管指（zhǐ）作過電壓保護用的避雷.管.或天線開關管一類，管內有二個或多（duō）個電極，充有一定量（liàng）的惰性氣體。氣體放電管是一種間隙式的防雷保護元件，它用在通信係（xì）統的防（fáng）雷（léi）保護。

放電管的工作（zuò）原理是氣體間隙放電i當放電管兩極之間（jiān）施加一定電壓時，便在極間產生不（bú）均勻電場：在此電（diàn）場作用下，管內（nèi）氣體開始遊離，當外加電壓增大到（dào）使極間場強超過氣體的絕緣強度時，兩極之間的間隙將（jiāng）放（fàng）電擊穿，由原來的絕緣狀（zhuàng）態轉化為導電狀態，導通（tōng）後放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓（yā）水平，這種殘壓一般很（hěn）低，從而使得與放電管並聯的電子設備免受過電壓的（de）損壞。

氣體放電管有的（de）是（shì）以玻璃作（zuò）為管子的封裝外殼．也有的用陶瓷作為封裝外殼，放電管內充入電氣性能穩定的惰（duò）性氣體（如氬（yà）氣和氖（nǎi）氣等），常用放電（diàn）管（guǎn）的放電電極一般為兩個、三個，電極之間由惰性氣體隔開。按電極個數的設置來劃分（fèn），放電管可分為二極、三極放電管。

陶瓷二極放電管由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和（hé）陶瓷管體等主要部件構成。管內放電電極上塗覆有放射性氧化物，管體（tǐ）內壁（bì）也塗覆有放射（shè）性元素（sù），用（yòng）於改善放電特性。

放電電極主要有（yǒu）杆形和杯形兩種結構，在（zài）杆形電極的放（fàng）電管中，電極與管體壁之間還要加裝一個圓筒熱屏，該熱屏可以使（shǐ）陶瓷管體受熱趨於均勻，不致出現局部過熱而引（yǐn）起管斷裂。熱屏內也塗覆放射性氧（yǎng）化物（wù），以進一步減小放電分（fèn）散性。在杯形電極的放電管中，杯口處裝有鉬網，杯內裝有銫元素，其作用也是減小放（fàng）電分散性。

三極放電管也是（shì）由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽（mào）和陶瓷（cí）管體（tǐ）等部（bù）件構成。與二極放（fàng）電管（guǎn）不同，在三（sān）極放電管中增加了鎳鉻鈷合金圓筒，作為第三極，即接地電（diàn）極（jí）。

主要參數：

（1）直流擊穿電壓。此（cǐ）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（jī）（或浪湧）擊穿電壓。它代（dài）表放電管的動態特性，常用上升速率為dv/dt=1kV/us的（de）電（diàn）壓值來決定。

（3）標稱衝擊放電（diàn）電（diàn）流。8/20us波（bō）形（前沿8us，半峰持續時（shí）間20us）的額定放電電流，通常放電10次。

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

（5）最大單次衝擊放電電流（liú）。對8/20us電流波的單次最大（dà）放（fàng）電電流。

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

（8）電容。放電管電（diàn）極間的電容，一般在2～10pF之間，是所有瞬（shùn）變幹擾吸收（shōu）器件中最小的。

金（jīn）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物（顆（kē）粒），如（rú）：鈷、猛、鉍等壓製而成。由於（yú）兩種不同性（xìng）質的物體組合在一起，相當於一個PN結（二極管），因此，壓敏電阻相當於眾多的PN結串、並（bìng）聯組成。

5、超高浪湧電壓（yā）抑製電路 

實例1

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

G1、G2的（de）擊（jī）穿電壓可（kě）選1000Vp~3000Vp，VR的壓敏電（diàn）壓一般取工頻電壓最大值的1.7倍。

G1、G2擊穿後會產生後續電流，一定要加（jiā）保險絲以（yǐ）防（fáng）後續電流過大使線（xiàn）路短路

實例2

增加（jiā）了兩個壓敏電阻VR1、VR2和一個放電管G3，主要目的（de）是加強對共（gòng）模浪湧電壓的抑製，由於壓敏電阻有漏電流，而一般電子產品都（dōu）對漏（lòu）電流要求很嚴格（小於0.7mAp），所以圖中加（jiā）了一個（gè）放電管G3，使平時電（diàn）路對地的漏電流等於0。G3的擊穿電壓要遠（yuǎn）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）壓可相應選得比較低，VR1、VR2對差模浪湧電壓也有很強的抑（yì）製作用。

實例3

G1是一個三端放電管，它相當於把兩（liǎng）個二（èr）端放電管安裝在一個殼體中，用它可以代替上麵兩個實例中的（de）G1、G2放電（diàn）管（guǎn）。除了二端、三端放電管之外，放（fàng）電管還有四端、五端的，各放電管的用途也不*相（xiàng）同。

實例4

增加了兩個壓敏電阻（VR1、VR2），主要目的是為（wéi）了隔斷G1擊穿後產生的後續電流，以防後續電流過大使輸入電路短路（lù），但（dàn）由於VR1、VR2的最大峰（fēng）值電流一般隻有G1的幾十（shí）分之一，所（suǒ）以，本實例對超高浪湧電壓的抑製能力相對（duì）實例3要的抑製能力差很（hěn）多。

實例5 直接在PCB板上製作（zuò）避雷裝置

在PCB板上直接（jiē）製（zhì）作放電避雷裝置（zhì），可以代替防雷放電管，可以抑製（zhì）數萬伏共模或差模浪湧電壓衝擊，避雷裝置電極之間距離（lí）一般要求比較（jiào）嚴（yán）格，輸入電壓為AC110V時，電（diàn）極之（zhī）間距離可選4.5mm，輸入電壓為（wéi）AC220V時，可選6mm；避雷裝置的中間電極一定要接到三端電源線與PCB板（bǎn）連接的端口上。

實（shí）例6 PCB板氣隙（xì）放電裝置代替放電管

在PCB板上直接製作氣（qì）隙放電裝置，正常放（fàng）電電壓為每毫米1000~1500V，4.5mm爬（pá）電距離的放電電壓大約（yuē）為（wéi）4500~6800Vp，6mm爬（pá）電距離的放（fàng）電電壓大約為6000~9000Vp。

6、各種防雷器件的連（lián）接 

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