浅析：浪涌现象及其对电子设备的潜在危害

01 什么是浪涌？

浪涌也叫突波，顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。可能引起浪涌的原因有：重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护连接设备免于受损。

02 浪涌的特点

浪涌产生的时间非常短，大概在微微秒级。浪涌出现时，电压电流的幅值超过正常值的两倍以上。由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流远远大于稳态输入电流。电源应该限制AC开关、整流桥、保险丝、EMI滤波器件能承受的浪涌水平。反复开关环路，AC输入电压不应损坏电源或者导致保险丝烧断。

这种现象通常只持续几纳秒至几毫秒，浪涌出现时的电压和电流值超过正常值两倍以上。

03 浪涌的表现

浪涌普遍的存在于配电系统中，也就是说浪涌无处不在。

浪涌在配电系统主要表现有：   

浪涌对敏感电子电器设备的影响有以下类型：

破坏

干扰

过早老化

04 浪涌的来源

以配电系统为参照物，则浪涌可以分成系统外的和系统内的两种。根据统计，系统外的浪涌主要来自于雷电和其它系统的冲击，大约占 20%；系统内的浪涌主要来自于系统内部用电负荷的冲击，大约占 80%。

• 外部—主要是雷击

• 内部—用电设备的开关等

雷电：

1、直击雷，雷电击在避雷针、避雷带及建筑物或炼油塔的某部位。

2、雷电电磁辐射；雷击点强大的磁场向四周辐射。

雷击即便没有直接击中建筑物，也会对建筑物内的微电子设备造成损坏，因为只要雷击中心点发生在距建筑物半径２Km范围内，在此范围内的空间里就会产生极强的电磁场，所有从这个电磁场中穿越的供电线路，网络和信号线路等，都会因电磁感应而在线路上产生一个浪涌电压，并沿着线路进入大楼内的设备输入端口，从而将电子设备摧毁。

3、雷电流在电源和信号线上的分流；

4、雷电感应：雷电流从引下线泄放过程中在周围形成强大的交变磁场，处于磁场内的金属导体上产生感应电压。

5、雷击部位形成的局部高电位。

6、雷电部侵入。

直接雷击击中电力线路或引下线疏导雷电流时，在电力线路上会产生雷击过电压并在电力线缆周围产生强大的电磁脉冲，凡是在此电磁脉冲范围内的各种电力、信号及控制线路都会感应出过电压，这部分过电压将会沿各种线路传输到后端的设备，从而引起设备的误动作或损坏。

电网内部浪涌：

7、 浪涌的分类

按特性：

电压浪涌：电压浪涌是指电路中突然出现的瞬间高电压变化。这种浪涌可能由于外部雷电、内部设备启停或故障等原因引起，对电路中的元器件造成过电压冲击。

电流浪涌：电流浪涌则是指电路中突然出现的瞬间高电流变化。这种浪涌同样可能由于外部或内部因素引起，对电路中的元器件造成过电流冲击。

雷击浪涌的防护

1、电子设备雷击浪涌抗扰度试验标准

电子设备雷击浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.5（等同于国际标准IEC61000-4-5 ）。

标准主要是模拟间接雷击产生的各种情况：   

（1）雷电击中外部线路，有大量电流流入外部线路或接地电阻，因而产生的干扰电压。   

（2）间接雷击（如云层间或云层内的雷击）在外部线路上感应出电压和电流。   

（3）雷电击中线路邻近物体，在其周围建立的强大电磁场，在外部线路上感应出电压。

（4）雷电击中邻近地面，地电流通过公共接地系统时所引进的干扰。

标准除了模拟雷击外，还模拟变电所等场合，因开关动作而引进的干扰（开关切换时引起电压瞬变），如：

（1）主电源系统切换时产生的干扰（如电容器组的切换）。   

（2）同一电网，在靠近设备附近的一些较小开关跳动时的干扰。

（3）切换伴有谐振线路的晶闸管设备。

（4）各种系统性的故障，如设备接地网络或接地系统间的短路和飞弧故障。标准描述了两种不同的波形发生器：一种是雷击在电源线上感应生产的波形；另一种是在通信线路上感应产生的波形。

这两种线路都属于空架线，但线路的阻抗各不相同：在电源线上感应产生的浪涌波形比较窄一些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信线上感应产生的浪涌波形比较宽一些，但前沿要缓一些。后面我们主要以雷击在电源线上感应生产的波形来对电路进行分析，同时也对通信线路的防雷技术进行简单介绍。

2、模拟雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理

上图是模拟雷电击到配电设备时，在输电线路中感应产生的浪涌电压，或雷电落地后雷电流通过公共地电阻产生的反击高压，的脉冲产生电路。4kV时的单脉冲能量为100焦耳。

• 图中Cs是储能电容（大约为10uF，相当于雷云电容）；

• Us为高压电源；

• Rc为充电电阻；

• Rs为脉冲持续时间形成电阻（放电曲线形成电阻）；

• Rm为阻抗匹配电阻Ls为电流上升形成电感。

• 雷击浪涌抗扰度试验对不同产品有不同的参数要求，上图中的参数可根据产品标准要求不同，稍有改动。

基本参数要求：

（1）开路输出电压：0.5～6kV，分5等级输出，最后一级由用户与制造商协商确定；

（2）短路输出电流：0.25～2kA，供不同等级试验用；

（3）内阻：2 欧姆，附加电阻10、12、40、42欧姆，供其它不同等级试验用；

（4）浪涌输出极性：正/负；浪涌输出与电源同步时，移相0～360度；

（5）重复频率：至少每分钟一次。

雷击浪涌抗扰度试验的严酷等级分为5级：

1级：较好保护的环境；

2级：有一定保护的环境；

3级：普通的电磁骚扰环境、对设备未规定特殊安装要求，如工业性的工作场所；

4级：受严重骚扰的环境，如民用空架线、未加保护的高压变电所；

X级：由用户与制造商协商确定。

图中18uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也可不同，但大到一定值之后，基本上就没有太大意义。

10欧姆电阻以及9uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也不同，电阻最小值可选为0欧姆（美国标准就是这样）， 9uF电容也可以选得很大，但大到一定值之后，基本上就没有太大意义。

3、共模浪涌抑制电路

防浪涌设计时，假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而，这两部分并非真正独立，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。

为了利用差模电感，在设计过程中，共模与差模不应同时进行，而应该按照一定的顺序来做。首先，应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络（Differential Mode Rejection Network），可以将差模成分消除，因此就可以直接测量共模噪声了。如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围，那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以下，因此超标的仅是差模成分，可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功率电源系统，共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题，因为差模辐射的源阻抗较小，因此只有极少量的电感是有效的。

对4000Vp以下的浪涌电压进行抑制，一般只需采用LC电路进行限流和平滑滤波，把脉冲信号尽量压低到2~3倍脉冲信号平均值的水平即可。由于L1、L2有50周电网电流流过，电感很容易饱和，因此，L1、L2一般都采用一种漏感很大的共模电感。用在交流，直流的都有，通常我们在电源EMI滤波器，开关电源中常见到，而直流侧少见，在汽车电子中能够看到用在直流侧。

加入共模电感是为了消除并行线路上的共模干扰（有两线的，也有多线的）。由于电路上两线阻抗的不平衡，共模干扰最终体现在差模上。用差模滤波方法很难滤除。

共模电感到底需要用在哪。共模干扰通常是电磁辐射，空间耦合过来的，那么无论是交流还是直流，你有长线传输，就涉及到共模滤波就得加共模电感。例如：USB线好多就在线上加磁环。 开关电源入口，交流电是远距离传输过来的，就需要加。通常直流侧不需要远传就不需要加了。没有共模干扰，加了就是浪费，对电路没有增益。电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈，与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高，而且体积又小，设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感，也就是差模电感。通常，计算漏感的办法是假定它为共模电感的1%，实际上漏感为共模电感的0.5% ～4%之间。在设计最优性能的扼流圈时，这个误差的影响可能是不容忽视的。

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