EMC电源浪涌防护分析方法介绍

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国标与规定

浪涌防护，是产品设计中的重要一环。电源部分的浪涌防护，尤其重要。

电源模块的浪涌测试标准是参照IEC61000-4-5。该标准适用于电气和电子设备在规定的工作状态下工作时，对由开关或雷电作用所产生的有一定危害电平的浪涌电压的反应。该标准不对绝缘物耐高压的能力进行试验，也不考虑直击雷。

该标准的试验等级分类如下：

对于电源部分，浪涌冲击规定的波形如下：

对于普通的电源浪涌测试，其放电电路内阻通常为2Ω，因此短路峰值电流通常为开路峰值电压的一半。

开路电压的函数表达式为：

短路电流的函数表达式：

感兴趣者可以对以上两公式进行傅里叶变换，分析其频域特性。

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常用防护器件

浪涌防护电路常用的器件主要有3种：瞬态抑制二极管（TVS）、压敏电阻（MOV）、气体放电管。

在通流能力上，TVS

在反应速度上：TVS>MOV>放电管。时间分别是

在使用中，通常将气体放电管作为第一级防护，MOV作为第二级防护，tvs作为最后一级防护。即：气体放电管放在最接近接口的位置，MOV稍远，tvs则主要是保护需要保护的器件。

TVS反应快，但是能通过的电流小，且自身结电容大；压敏电阻结电容大，能通过的电流较大，但自身阻抗非线性明显，随着电流上升，会有较大的残压，有寿命损耗；气体放电管能通过的电流很大，有结电容小的优点，但是反应速度慢。且有弧光效应，在交流应用中，有可能经过半波才灭弧，在直流应用中，弧光电压制约了直流工作电压的幅值，如果正常直流工作电压高于弧光电压，则导通后会一直导通，直至烧毁。

下图左图为压敏电阻的特性图；右图为气体放电管的特性图，请参考。

请注意右图气体管的波形，Vbk为击穿电压，击穿之后，电压迅速下降到辉光区，Vgl为辉光电压，随着电流进一步增大，导通电压进一步降低到弧光区，Varc为弧光电压，电流继续增大，气体管维持弧光电压。当电流减小，电压从弧光区进入辉光区，进而在Vh处熄灭截止。在使用中，一定要保证直流电压的正常工作范围低于气体放电管的弧光电压，否则气体放电管会一直导通直至烧毁。

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常用防护电路

如上图，试图用不同参数的压敏并联，或者压敏和tvs直接并联，都是不可取的。这种情况只会将导通电压低的器件或者导通速度快的器件烧毁。在使用中，应该通过电感或者电阻，将压敏和tvs隔开，起到分配电流的作用。

下面以常用电路为例进行分析：

主要器件为SMCJ系列tvs，10d470压敏电阻，与1.1A PTC，用来控制浪涌。其他器件用来进行静电和共模干扰的防护。

首先明确，TVS与MOV不可直接并联，因此需考虑的就是如何让TVS和MOV都能有效工作，起到保护作用。意味着在使用中，通过tvs的电流和tvs上的压降不可超过其限度。多余的电流应该有效通过MOV压敏电阻泄放掉。

以1KV浪涌要求为例，此浪涌的开路峰值电压为1000V，短路峰值电流为500A。在防护中，只要我们有效泄放掉其电流，则tvs和mov可有效钳制其电压。

我们首先查表：

可以得知，SMCJ36CA的最大钳制电压为58.1V，瞬间最大脉冲电流为25.8A。我们对两值分别取55V和25A，可以得到MOV上的泄放电流应为500A-25A = 475A

从MOV数据手册，根据其残压曲线查下表：

10d470的可用AC电压为30V，因此我们查475A与30线的交汇点，可以得知此时MOV残压约为180V，因此用来隔开MOV与tvs的电感或电阻上的压降应为180V-55V=125V，此时通过的电流约为25A，这要求其对于8/20us浪涌电流的阻抗≥5Ω，否则tvs上的电流会偏大。

鉴于我们的电源不允许串入大电阻，因此我们考虑电感，8us的时间内，电流从0.1倍峰值上升到0.9倍峰值，电流变化率为25*0.8/8us，阻抗公式U = L * di/dt，

可得到L = Udt/di = 1258us/25A/0.8 = 50uh，预留余量，我们在测试中采用了100uh，实际效果不错，可以耐2000V的浪涌冲击。

用另一方法计算，浪涌主要是传导干扰而非辐射干扰，频率主要是几十khz的成分，假设频率中20k为主，Z=2πfL，L= Z/2πf = 5/6.28/20000= 40uH，与之前结果相近。

综合以上，50Uh以上的电感，对浪涌分级控制有明显效果。此处应注意电感的过流能力要大、直流电阻要小，最好选用空心电感，避免磁饱和。