電源浪涌保護的基礎知識

電源浪涌問題

電壓浪涌是許多市電供電設備所面臨的問題。若沒有針對預期環境而正確設計，浪涌可能會損壞電源及其供電的設備。本文將確定電壓浪涌的原因，使您熟悉浪涌測試監管標準，并展示浪涌抑制設計和組件，由此對浪涌保護的基礎知識進行討論。

浪涌有三項主要原因：

雷擊

負載瞬態

故障

雷擊是外部浪涌瞬變的常見來源，會產生遠高于大多數電子系統額定值的電流和電壓。這些電壓浪涌通常很大，在未應用適當級別保護的情況下足以導致電子設備立刻發生故障。

打開或關閉電路中的其他設備時，也會引起交流供電線路上的浪涌。電機或電容器組等無功負載在建立其電場和磁場之前類似于短路。關閉時，這些場中儲存的能量也會快速流入到系統中。在這兩種情況下，高而快的瞬態電流會帶來電壓尖峰，并導致未受保護的設備發生故障。

故障也可能會產生浪涌，導致對電源輸入端施加過大的電壓。若系統組件和設備發生故障，可能導致系統其他部分因電路發生意外短路或開路而產生瞬態電壓和電流。

電源輸入端浪涌電壓的強度和幅值取決于許多因素，包括位置、布線以及在電源輸入端（無論是內部還是外部）施加的浪涌保護水平。

國際標準定義保護水平

已制訂標準，以便對所需的保護水平進行分類并提供指導。最常用的電源標準是國際電工委員會制訂的 IEC 61000-4-5。許多國家的抗干擾標準中都對其進行了引用，例如 EN 55035，其規定了多媒體設備的抗干擾要求。

IEC61000-4-5 標準根據安裝類別和耦合方法定義了標準化的測試方法以及不同級別的保護。直流電源通常與安裝類別 3-5 有關，測試要求為 1kV 至 4kV（表 1）。

表1：連接到市電的交流和直流電源的 IEC 61000-4-5 浪涌測試電壓

浪涌抑制電路和設備

若要保護電源及其負載免受浪涌影響，通常需要使用某種形式的內部或外部浪涌保護電路。浪涌保護電路主要分為兩類：

箝位

消弧

浪涌箝制

電壓箝位電路可防止電壓超過所選的箝位電壓。在發生浪涌期間，電壓將保持在箝位電壓，通過箝位電路將電流分流，直到浪涌通過為止。通常用作箝位電路的兩種設備是瞬態電壓抑制二極管 (TVS) 和金屬氧化物變阻器 (MOV)。每種設備的速度和能量處理能力呈反比，如表 2 所示，可能需要對箝位電路類型進行組合。

表2：典型浪涌保護組件和特性

瞬態抑制二極管

TVS 是二極管，旨在吸收電壓尖峰的多余能量，從而對電壓進行箝制。它們可以是單向的，也可以是雙向的。這些二極管具有類似于齊納二極管的拐點電壓，在高于拐點電壓時，二極管將開始導通。這將導致電壓被箝制在拐點電壓，并且會從電源分流多余的能量。

變阻器箝位

雙向半導體金屬氧化物變阻器 (MOV) 是壓敏變阻器。MOV 在低電壓下具有高電阻，在高電壓下具有低電阻。它會提供較柔和的箝位電壓，反應速度慢于 TVS 二極管。MOV 也會磨損，只能處理有限數量的浪涌事件。不過，憑借低成本和浪涌處理能力，它們通常用于電源中的浪涌保護。

圖2：MOV 原理圖符號（左）和電壓-電流關系（右）

撬棒電路

撬棒電路是一種不同類型的浪涌保護電路。撬棒設備不是將電壓限制在最大值，而是使電路節點短接，使電壓接近零。氣體放電管 (GDT) 通常用作撬棒設備。GDT 與 TVS 類似，可充當電壓相關開關。此設備正常情況下為開路，超過電壓閾值時將短路。GDT 可以處理較大的電流，但往往是反應最慢的浪涌保護設備。電源有時會將其與其他方法結合使用，以獲得更強大的解決方案。

圖3：GDT 與 TVS 及 MOV 搭配使用以實現強大浪涌抑制電路的示例

現成電源的抗浪涌干擾

現成的電源可能包含，也可能不包含內部浪涌保護。板上安裝電源會提供從無內部保護到最高保護等級等各種選項。通常，制造商會提供參考設計以提高固有的性能水平。設計人員需要注意數據表，以查看制造商的外部電路是否符合應用的相應性能水平。

圖4：建議使用 EMC 電路，以滿足更高的浪涌要求

浪涌預測和系統評估

電壓浪涌的性質是，任何單一浪涌都完全不可預測。也就是說，仍然可以對系統進行評估，預測它可能受到的浪涌類型，并建議適當程度的浪涌保護。相應的保護水平可能會有所不同?？梢灶A見到一些系統會經歷大部分常見且相對容易處理的過壓。例如，附近其他設備的打開和關閉。另一種極端情況可能是系統位于存在大量雷電活動的地區。在這種情況下，可能會建議采取保護措施以應對更嚴重的尖峰。

審核編輯：湯梓紅