通信电源系统防雷电路设计

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1、通信電源系統防雷電路設計胡志明電源電子研發處關鍵詞：氣體放電管，MOV，TVS，額定通流能力Imax，電壓保護水平Up摘要：本文主要闡述了雷擊侵害的實質以及雷擊破壞的機理，介紹了通信電源系統和線路板上的多級防雷電路設計要點'最後總結了防雷電路設計的一般原則。1前言在通信電源系統中，防雷保護至關重要。防雷電路的設計有其自身特點，即設計考慮的全面性、對防雷器件特性的全面了解性、設計驗證的試驗困難性等。針對通信電源系統可能遭受雷擊入侵的路徑，筆者試圖較全面細緻地將設計思路展開，並得出一般的防雷電路設計方法。2雷擊侵害的實質本文討論的雷擊侵害都為感

2、應雷的侵害，而非直擊雷。對於被雷擊能量侵害的大地上的物體，直擊雷是指帶電雲層直接對其進行放電，而感應雷則指雲層對大地放電後其強大的電磁干擾對物體的侵害。因此，雷擊侵害的抑制也是電磁兼容（EMC）的一部分。強大的雷擊電流造成電磁場的急劇變化'根據電磁感應定律，磁場的快速變化必然導體是交導致週邊（範圍能延伸幾公里）金屬導體上產生很高的感應電壓。如果，金流電網、通訊線纜，則感應電動勢將沿此路徑，侵入到用電設備及通信設備。對於通信電源系統，特別是室外型通信電源系統來說，由於其用電設備（傳輸模塊、發射模塊等）為弱電系統，承受干擾能力較弱，且由於其在經

3、濟生活中的重要地位，不容許通信系統因為雷擊而中斷，因此，通信電源系統必須能夠承受來口電源線、負載線、信號線等路徑侵入的雷擊感應電壓。因此雷擊侵害的實質，是幅值很高的瞬時感應電壓。3雷擊破壞的機理雷擊侵入方式分兩種，一種為共模，即線纜對大地之間的瞬時感應電壓；另一種為差模，即線纜之間的瞬時感應電壓；若用電設備沒有任何防雷電路保護，則很容易產生破壞。差模的破壞作用顯而易見，例如正常工作為交流220V的開關電源整流模塊，當在電壓波形上疊加几KV的感應高電壓時，就有可能擊穿整流橋電路中的半導體器件，因此要抑制雷擊感應電壓進入到電源模塊中。對於共模侵

4、入的破壞機理，要視用電設備的接地特性分別說明。若用電設備沒有接地且感應線路與人地離得很遠，則此雷擊感應電壓不會對設備造成損害，設備本身可達到靜電感應平衡。（這裡以人體作比方，在乾燥的冬季，人的身體通常會帶靜電，電壓高達几KV，但如果不是碰到金屬門把手、感覺到放電的小痛覺，也即對大地放電，那麼我們自己可能完全感覺不到自己是個帶了几KV高電壓的危險體！）若用電設備沒有接地但感應線路與大地離得很近，那麼線路上的感應電壓就會與大地之間形成很強的電場強度，並將空氣電離，形成泄放迴路，巨大的電流將產生很大的火花甚至導致著火燃燒，損壞設備。若用電設備已經

5、接地，則雷擊感應電壓可直接在接地迴路上產生很大的泄放電流，大電流必然產生高溫高熱，導致線路或元器件的燒熾，損壞程度視其對地迴路阻抗的人小而不同。1防雷的基本策略雖然，如果用電設備不接地且感應線路與人地離得很遠的方式，可以對共模侵入的雷擊起到防護作用。但是，絕大多數的電器設備都要求接地（機殻、手可觸及的金屬裸露部分等）。如果不接地，很有可能因為電器機殼帶電而導致人身觸電事故，而且接地是抑制傳導電磁干擾（CE）和輻射電磁干擾（RE）的非常行之有效的手段之一。既然絕大部分電器都會接大地，那麼如何來防止雷擊破壞作用的發生呢？雷擊危害的實質是瞬時感應

6、高電壓侵入到用電設備，然後擊穿電氣元件造成設備損壞，或者在擊穿的過程中，產生大電流，高溫高熱導致線路或器件燒燼。因此，要做到雷擊防護，必須抑制瞬時高電壓。圖1為雷擊感應電壓侵入路徑示意圖。其中，Us為雷擊感應電壓，Rs是線路電阻，Ls是線路電感，Zd是通信電源系統的總輸入阻抗，Ud是電源系統分得的感應電壓Id是侵入電流。示意圖可表示差模和共模兩種雷擊侵入方式。由於Rs、Ls較小，在Zd上分得的電壓將很大，為了抑制Ud，必須降低Zd，這樣進入通信電源系統的電壓可以被限制到安全電壓（以不破壞或不影響電源正常工作為準）以下。當Zd很小時，整個侵入

7、迴路的阻抗很小，約為几Q到几十Q，侵入電流Id將很大，峰值可達几KA到上百KA^因此需要為Id提供泄放通道。綜合以上所述，防雷的關鍵是要為通信電源系統提供一個低阻抗、大電流的旁路通道，在泄放雷擊感應能量的同時，抑制旁路通道後級的電壓，實現電源保護。而低阻抗、大通流容量的旁路通道，可以由一些特殊的器件實現。雷擊感應電壓Us+Zd

8、生影響。而在瞬時雷擊感應電壓下，這些器件迅速呈現為低阻抗、大通流容量的特性。以下要介紹的防雷器件，無不具有上述的最基本特性。防雷器件主要包括氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻（MOV