如何設(shè)計EMC浪涌保護電路？從原理到選型

電涌保護電路是一種被稱為交流電網(wǎng)線電壓峰值保護器的電路。但是，在交流電網(wǎng)線中沒有特別限制。電涌保護器或電涌保護設(shè)備是一種提供電涌抑制或電壓尖峰抑制的設(shè)備，因此敏感設(shè)備不會受到損壞。

電涌保護器可以處理高達幾千伏特范圍的電壓尖峰(取決于電涌保護器的類型)。還有一些浪涌抑制器只能承受幾百伏的電壓，依此類推。盡管電涌保護器設(shè)計為可在短時間內(nèi)承受高電壓尖峰，但仍不能承受更長的持續(xù)時間。

什么是電涌?

通常，電涌是電平或幅度從正常值或標(biāo)準(zhǔn)值突然增加。在電力中，浪涌通常用于描述電壓瞬變，電壓浪涌或電壓尖峰。電壓浪涌，尖峰或瞬變不是永久性事件。它僅在短時間內(nèi)發(fā)生，但如果沒有對策，則足以破壞設(shè)備。

電壓浪涌不僅存在于電力線中，而且還存在于具有電感特性的電路中。但是，電力線中的電壓浪涌最具破壞性，因為它可能高達幾千伏特范圍。

下圖顯示了交流電源線上的電涌。

交流線路瞬變電涌保護器通常安裝在房屋，辦公室和建筑物中，以防止損壞設(shè)備或裝置。應(yīng)該將其安裝在所有設(shè)備或裝置都可獲取其源代碼的部分。這樣，所有設(shè)備將受到線路浪涌和尖峰的保護。這種方法稱為通用電涌保護。如果所有設(shè)備或設(shè)備都具有本地電涌保護電路，則可能不需要通用電涌保護器。

電力線中使用的電涌保護電路的兩個主要類別

1.主電涌保護器

初級電涌保護裝置安裝在房屋，辦公室或建筑物的電線入口處。它將保護進入點之后連接線路的所有設(shè)備或電器。通常，初級電涌保護器功能非常強大。但是，它既龐大又龐大又昂貴。

2.二次電涌保護器

二級電涌保護器不如初級電涌保護器有效和強大。

但是，它便攜且使用方便。通常，這種電涌保護器很容易插入電源插座。它僅對從安裝了第二電涌保護器的電源插座獲取電源的設(shè)備提供保護。

下圖顯示了建筑物中主要和次要電涌保護器的安裝方式。

二次電涌保護電路的常見類型

已知的次級電涌保護電路很少。一種是所謂的配電盤。配電盤很容易插入電源插座。除此之外，它還帶有多個電源插座，多個設(shè)備和電器可以插入其中，并受電涌保護。配電盤的最重要功能是在出現(xiàn)電涌時能夠終止電源。

另一種已知類型的次級電涌保護器是眾所周知的UPS或不間斷電源。一些復(fù)雜的UPS具有內(nèi)置的電涌保護器，可提供與配電盤相同的安全保護功能。

電涌保護器如何工作?

有一種電涌保護器

一旦出現(xiàn)電涌，可以切斷電源。這種類型的電涌保護器復(fù)雜，復(fù)雜，當(dāng)然也很昂貴。這種類型的基本組件是電壓傳感器，控制器和鎖存/解鎖電路。電壓傳感器將監(jiān)視線路電壓，控制器將讀取感測電壓并決定何時向鎖存/解鎖電路發(fā)信號通知終止電壓。鎖存/解鎖電路是可控制的電源接觸器或電源開關(guān)，可以連接或斷開線路電壓。

還有一種電涌保護器，它不提供電壓關(guān)斷功能，而只是鉗制電壓瞬變并吸收能量。這種電涌保護器通常用作內(nèi)置電涌保護器，例如在開關(guān)模式電源中。此類保護在數(shù)千伏以下的電壓下均有效。如下圖所示，最好在電路中描述這種電涌保護。

ACLINE 1和AC2上的電涌保護器1稱為差模電涌抑制。而電涌保護器2和3均稱為共模電涌抑制。差模浪涌抑制器可鉗制ACLINE1和AC線2上的任何電壓尖峰。之所以稱為差模，是因為它安裝在兩條熱線上。另一方面，共模是用于電涌保護器2和3的術(shù)語，因為兩者都將相對于大地的單個熱線上的電壓瞬變鉗位。在不太嚴(yán)格的電涌要求中，電涌保護器1已經(jīng)足以通過標(biāo)準(zhǔn)。然而，對于更高的浪涌電壓等非常嚴(yán)格的要求，增加了浪涌保護器2和3。

電壓浪涌的原因

電壓浪涌發(fā)生的原因有很多。這可能是由于雷電，電源系統(tǒng)切換(如電容器組)，帶有開關(guān)設(shè)備的諧振電路，布線錯誤以及突然打開和關(guān)閉開關(guān)，電動機和其他高電感性電器和設(shè)備造成的。AC線電壓浪涌在世界任何地方都存在。因此，建議保護設(shè)備和設(shè)備免受此破壞性事件的影響。

一些常見的浪涌介質(zhì)

這些是電涌或電壓尖峰可以進入使用它的設(shè)備或設(shè)備的常見路徑。

電源線–這是電涌的第一介質(zhì)，因為所有電氣和電子設(shè)備都使用交流電源。AC線電涌在世界范圍內(nèi)很普遍。

射頻線–包括天線。天線容易受到雷擊。雷電能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)生非常高的電壓尖峰。當(dāng)雷擊天線時，它將穿透射頻接收器。

汽車交流發(fā)電機–在汽車電子產(chǎn)品中，還定義了電壓浪涌。這是因為交流發(fā)電機能夠在負載突降期間產(chǎn)生高電壓尖峰。

電感電路/負載–任何電感電路或負載總是會引入浪涌電壓。通常，這種激增稱為感應(yīng)反沖。

IEC定義的浪涌標(biāo)準(zhǔn)

IEC61000-4-5定義了交流電源線浪涌的標(biāo)準(zhǔn)。下表提供了有關(guān)類別和電壓電平的具體說明。

根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備在等級4下應(yīng)承受和通過的最大瞬態(tài)電壓為4kV(盡管有等級5，但仍稱為等級4)。

IEC61000-4-5定義的瞬態(tài)電壓如下圖所示。它具有1.2us的上升時間，而脈沖寬度為50us。

IEC61000-4-5還定義了短路電流形狀，如下圖所示。它具有8us的上升沿和20us的脈沖寬度。

下表是每類對應(yīng)的浪涌電流或短路電流水平。最差值是2000A。

IEC61000-4-5規(guī)定的短路電流是多少?

為了回答這個問題，我首先要說，所有連接到電源線的設(shè)備都必須具有電涌保護功能。電涌保護通過將瞬態(tài)電壓鉗制到一個更安全的水平而起作用。一旦電涌保護電路鉗位，從電源到保護裝置再到電源地的短路路徑將出現(xiàn)。

如何設(shè)計電涌保護電路

設(shè)計電涌保護裝置并不難。實際上，某些電子設(shè)備的內(nèi)置電涌保護只能是一個設(shè)備。這可以是MOV或金屬氧化物壓敏電阻或瞬態(tài)電壓抑制器TVS。在下圖中，電涌保護器1至3可以是MOV或TVS。

有時，交流線路之間的電涌保護設(shè)備足以通過IEC標(biāo)準(zhǔn)。在少數(shù)情況下，需要在線路和地之間跨接電涌保護電路。特別是在更高的浪涌電壓要求(4kV及以上)時。

使用MOV作為電涌保護裝置

基本性質(zhì)

MOV代表金屬氧化物壓敏電阻;是電力線中常用的電涌保護器。

MOV是電壓依賴性電阻器

MOV操作就像一個二極管，具有非線性和非歐姆電流和電壓特性，但雙向。

它的操作也可以與雙向瞬態(tài)電壓抑制器TVS進行比較。

當(dāng)鉗位電壓沒有達到時，它就開路

下面是MOV的電壓-電流曲線。如您所見，它在象限1和3上具有幾乎恒定的電壓，這使其成為雙向設(shè)備。ZnO和SiC分別代表氧化鋅和碳化硅。這是MOV制成的兩種常見材料。

型號選擇

對于通用的90-264Vac線路，通常的MOV額定電壓為300Vrms。300Vrms是MOV可以承受的RMS或連續(xù)施加的電壓。這還不是鉗位電壓。例如，根據(jù)數(shù)據(jù)表，我們將使用leiditech的14D471KJ，其交流額定電壓為300Vac，但在50A峰值電流下的鉗位電壓為775V。

接下來要驗證的是，MOV的浪涌電流額定值能夠處理上面表2中指定的水平(考慮最大水平)。根據(jù)下面所選的MOV數(shù)據(jù)表，在2000A和20us脈沖持續(xù)時間下，MOV能夠處理超過15次的撞擊但少于100次的撞擊。設(shè)備圖上用虛線估計了2000A。

盡管數(shù)據(jù)表中規(guī)定了鉗位電壓，但在2000A時可能不再有效。下圖顯示了使用所選MOV時在2000A處的相應(yīng)鉗位電壓。黃線的交點是鉗位電壓。請注意，它已經(jīng)超過1000V。確保設(shè)備中使用的所有設(shè)備都能承受此電壓水平。否則，請考慮另一個鉗位電壓較低的MOV。

MOV電力線電涌保護的理想位置

如下圖所示，必須將MOV用作電涌保護裝置，并緊靠保險絲安裝。通過這種布線，一旦浪涌電流太大，MOV無法處理，則保險絲將斷開并斷開電路，并避免可能的災(zāi)難性故障。

汽車中的浪涌抑制

如上所述，浪涌不僅發(fā)生在交流電源線上。電壓浪涌在汽車系統(tǒng)中也很常見。汽車系統(tǒng)僅使用鉛酸電池，對于6個串聯(lián)的電池，典型的完全充電電壓約為12.9V，每個電池為2.15V。在計算中，通常使用最大14V的電池電壓。此電平不是破壞性的，額定電壓為30V的設(shè)備足以長期生存。但是，這種感覺僅在穩(wěn)態(tài)下才是正確的，而在所謂的“甩負荷”期間則不正確。負載突降是一個術(shù)語，用于描述在發(fā)電機充電時突然斷開電池連接的時間。對于12V系統(tǒng)，如果不考慮負載突降，可能會導(dǎo)致高達120V的尖峰電壓，并且足以破壞設(shè)備。

為了抵消這種負載突降的情況，經(jīng)常使用電涌保護電路，如TVS和壓敏電阻。

在汽車中，甩負荷波形由ISO7637定義，如下圖。峰值電壓最大為125V。與IEC61000-4-5定義的標(biāo)準(zhǔn)相比，上升和脈沖寬度持續(xù)時間(T1和T)更長。

汽車電涌抑制器的理想位置