电子产品浪涌防护设计

1、浪涌防护前言

产品的浪涌抵抗能力要通过浪涌冲击抗扰度测试来检验。该项目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冲击电平的反应。该测试项目适用于由公共供电网络供电的电子电气设备的交流电源端口测试，也适用于有室外电线、电缆线连接的电源、控制、信号端口的测试。施加方式有共模和差模两种方式，因此，产品设计中就需要针对这些端口的共/差模浪涌采取相应的抑制措施。

2.1、电源端口的浪涌抑制

一个理想交流电源浪涌抑制方案拓扑如下图 1 ，该方案充分利用了不同吸收器件各自的优点。

图 1 交流电源浪涌保护电路

理想工作状态是：当浪涌到来时，TVS 首先启动，会把瞬间过电压精确控制在一定的水平；如果浪涌电流大，则压敏电阻接着启动，并泄放一定的浪涌电流；两端的电压会有所提高，直至推动前级气体放电管的放电，把大电流泄放到地。该电路汇集动作快、限压低、放电能力强的优点。中间的滤波电感起高频滤波（吸收浪涌脉冲的前沿高频能量）和级间隔离的作用。

对 220V/50Hz 的交流电源系统，第三级 TVS 可取 390V 额定电压产品，第二级的压敏电阻可取 470V 额定电压产品，第一级气体放电管选 470V 额定电压产品，第一级压敏电阻可选 470V 额定电压产品。为了减少前级气体放电管反应时间，可以在前级压敏电阻上并联一只 1000~10000pF的高频电容。 

第一级保护电路的电流容量应大于电路可能承受的最大电流容量。第二级、第三级保护电路的浪涌电流容量可以逐级递减。

对浪涌电压不需太高测试等级的产品，可以省略第一级的气体放电管和压敏电阻串联电路及相应的级间隔离电感。对保护器残压不敏感的产品，可以省略第三级的 TVS 保护电路及相应的级间隔离电感。由于 TVS 吸收电流能力有限，一般不单独在交流电源端口使用。该剪裁不影响上面列举的保护器件额定电压的选择，但是保护电路的电流容量应相应变化。

对于直流电源端口，一般总有一极接地，可以采用如下图 2 所示的组合保护电路。采用此电路需要注意，若被测设备需耐受的浪涌电流不是很大，建议尽量不要使用第一级的气体放电管；若直流电路工作电压大于 10V，第一级气体放电管不可使用。此时可通过提高第二级压敏电阻的电流容量来满足设备的浪涌冲击等级要求。对保护器残压不敏感的产品，可以省略第三级的 TVS 保护电路。在此电路中，气体放电管的额定电压应大于或等于工作电压的 1.8 倍，压敏电阻的额定电压应大于或等于工作电压的 1.5 倍。最前级保护元器件的电流容量应大于最大浪涌电流。后级保护电路的电流容量可以逐级递减。

图 2 直流电源浪涌保护电路

2.2、通信端口的浪涌抑制

通信接口的浪涌抑制电路的技术要求较高，因为除了满足浪涌防护要求外，还需要保证传输指标符合要求。加上与通信线路相连的设备耐压很低，对浪涌残压要求严格，因此在选择防护器件时比较困难。理想的浪涌抑制电路时电容小、残压低、通流大、响应快。

如下图 3 是双线平衡传输的通信接口组合保护电路。

图 3 双线平衡传输的通信浪涌防护电路

该电路采用气体放电管与 TVS 组合保护方式，中间的共模扼流圈用来隔离放电管与 TVS 。放电管与 TVS 分别安装在通信线间及通信线与地之间，分别抑制通信线间的横向浪涌和通信线与地之间的纵向浪涌。通常情况下，平衡传输的通信线多采用双绞屏蔽线，此时横向浪涌一般非常小，通信线间横向浪涌电流抑制器可以省略。当通信速率比较高时，TVS 管务必选择低结电容式的器件，否则会影响通信的正常进行；特别是对那些主-从多机（假设为 n 台）通信电路，每台设备上的保护线路均是并联的，TVS 管结电容会呈 n 倍地增加，TVS 管结电容若不够低，可能会出现双机通信正常，多机通信不正常的情况。为降低简单的通信接口成本，也可将中间的共模扼流圈换为两个独立的电阻，电阻的阻值在数欧姆到数十欧姆之间，在不影响正常通信的情况下，电阻可以尽量大些。

采用此保护电路需要注意，若通信接口电路中含有绝对值超过 10V 的直流信号（如电话网络中含有 48V 直流），气体放电管不可直接使用，此时可以在气体放电管上串联压敏电阻，以克服气体放电管的续流效应。同时，又避免了压敏电阻的大的结电容影响通信。更高频率的保护就主要是采用放电管，取消 TVS 管，气体放电管的残压通过公模扼流圈吸收，否则很难满足传输速率要求。

2.3、天线端口的浪涌抑制

图 4 射频同轴天线端口浪涌保护电路

某射频同轴天线端口浪涌保护电路如上图 4 所示。该电路前级保护电路由气体放电管构成，后级保护电路由 TVS 与高频扼流电感 L 构成。加入电感 L 的目的是防止天线上高频信号被 TVS 极间电容短路到地。为减少保护电路的高频衰减，去掉了级间隔离电阻。这种保护电路的工作频率上限可达2GHz。若天线端口含有直流成分，应选用灭弧电压高于工作直流的气体放电管。

也有保护电路采用高频滤波器，因浪涌的能量频谱集中在几十Hz到一兆Hz 之间，其能量主要集中在数十千Hz 以下，相对于天线端口的高频工作频率很低，可以通过高通滤波器将浪涌从工作信号中分离加以吸收。对于点频通信天线也可以采用 1/4 波长的短路线构成带通滤波器，防雷效果更好。但这两种方法都会将天线上传送的直流成分短路，其应用范围有限。