今天來(lái)給大家分享的是：浪涌保護(hù)電路原理與設(shè)計(jì)

浪涌保護(hù)電路被許多人稱(chēng)為交流電網(wǎng)線(xiàn)路中電壓尖峰的保護(hù)器，不限于交流電網(wǎng)線(xiàn)路。浪涌保護(hù)器或浪涌保護(hù)裝置是一種提供浪涌抑制或電壓尖峰抑制以使敏感設(shè)備不會(huì)受到損壞的裝置。

一、什么是浪涌？

一般來(lái)說(shuō)，浪涌是水平或者幅度從正常值突然增加。在電子電路中，通常是用來(lái)指電壓瞬變、電壓浪涌或者電壓尖峰。電壓浪涌或者尖峰瞬變，是在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，如果沒(méi)有應(yīng)對(duì)措施，就很容易損壞設(shè)備。

電壓浪涌不僅存在于電源線(xiàn)中，也存在于具有電感特性的電路中。然后電源線(xiàn)中的電壓浪涌是最具有破壞性的，可以高達(dá)幾KV。

下圖顯示了交流電源線(xiàn)上的電壓浪涌。

交流線(xiàn)路瞬態(tài)電涌保護(hù)器通常安裝在房屋、辦公室和建筑物中，防止電氣或設(shè)備損壞，安裝在所有設(shè)備或者設(shè)備獲取來(lái)源的部分。這樣做，所有設(shè)備都將受到線(xiàn)路浪涌和尖峰的保護(hù)。

二、電源線(xiàn)浪涌保護(hù)電路

1、初級(jí)浪涌保護(hù)器

初級(jí)浪涌保護(hù)裝置安裝在住宅、辦公室或者建筑物電氣線(xiàn)路的入口處。用來(lái)保護(hù)入口點(diǎn)之后連接線(xiàn)路的所有設(shè)備或器具。一般來(lái)說(shuō)初級(jí)浪涌保護(hù)器很強(qiáng)大，比較大也會(huì)比較重，價(jià)格也會(huì)比較高。

2、次級(jí)浪涌保護(hù)器

次級(jí)浪涌保護(hù)器不如初級(jí)浪涌保護(hù)器有效和強(qiáng)大。但是攜帶起來(lái)非常方便。在大多數(shù)情況下，這種浪涌保護(hù)器很容易插入電源插座，

下圖顯示了初級(jí)和次級(jí)電源保護(hù)器如何安裝在建筑物中。

三、二次浪涌保護(hù)電路的常見(jiàn)類(lèi)型

1、電源板

電源板很容易插入電源插座，除此之外，還配備了多個(gè)電源插座，其中可以插入多個(gè)設(shè)備和電器受到浪涌保護(hù)。最主要的特性是在出現(xiàn)浪涌電壓時(shí)可以終止供電。

2、UPS 或不間斷電源

一些復(fù)雜的 UPS 內(nèi)置電涌保護(hù)器，提供與配電盤(pán)相同的安全功能。

四、浪涌保護(hù)器如何工作？

有一種浪涌保護(hù)裝置一旦出現(xiàn)電壓浪涌就可以切斷電源。這種類(lèi)型的浪涌保護(hù)器比較精密，復(fù)雜，當(dāng)然也比較貴。這種類(lèi)型的基本元件是電壓傳感器、控制器和鎖存/解鎖電路。

電壓傳感器將監(jiān)控線(xiàn)路電壓，控制器將讀取感測(cè)電壓并決定向鎖存/解鎖電路發(fā)出電壓終止信號(hào)。閂鎖/解鎖電路是一種可控的電源接觸器或電源開(kāi)關(guān)，可以接通或斷開(kāi)線(xiàn)路電壓。

還有一種浪涌保護(hù)器不會(huì)提供電壓關(guān)斷，只是鉗位電壓瞬變并吸收能量。這種類(lèi)型的浪涌保護(hù)通常用作內(nèi)置浪涌保護(hù)，例如開(kāi)關(guān)模式電源。這種類(lèi)型的保護(hù)在高達(dá)幾千伏的電壓下是有效的。這種類(lèi)型的浪涌保護(hù)如下圖所示。

開(kāi)關(guān)模式電源

交流線(xiàn)路 1 和 2 之間的浪涌保護(hù)器 1 稱(chēng)為差模浪涌抑制。差模浪涌抑制器鉗制交流線(xiàn)路1 和 2 上的任何電壓尖峰。之所以稱(chēng)為差模，是因?yàn)樗惭b在兩根熱線(xiàn)上。

而浪涌保護(hù)器2和3都稱(chēng)為共模浪涌抑制器。共模是用于浪涌保護(hù)器 2 和 3 的術(shù)語(yǔ)，因?yàn)樗鼈兌际窍鄬?duì)于大地或接地的各個(gè)熱線(xiàn)上的鉗位電壓瞬變。在浪涌要求不是那么嚴(yán)格的情況下，浪涌保護(hù)器1已經(jīng)足夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)了。但是，對(duì)于更高的浪涌電壓等非常嚴(yán)格的要求，增加了浪涌保護(hù)器 2 和 3。

五、電壓浪涌的原因

電壓浪涌的發(fā)生有很多因素，可能是由于閃電、電力系統(tǒng)切換（如電容組）、帶有切換裝置的諧振電路、接線(xiàn)錯(cuò)誤以及突然打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)和其他高電感電器和設(shè)備造成的。大部分地方都存在交流線(xiàn)路電壓浪涌，因此，建議保護(hù)設(shè)備和設(shè)備免受這個(gè)的影響。

六、一些常見(jiàn)的電涌介質(zhì)

下面是浪涌或電壓尖峰可以進(jìn)入電器或設(shè)備的常見(jiàn)路徑。

1、電源線(xiàn)

這是造成浪涌的第一大媒介，因?yàn)樗须姎夂碗娮釉O(shè)備都使用來(lái)自交流線(xiàn)路的電源。

2、射頻線(xiàn)路

包括天線(xiàn)，天線(xiàn)同意遭受雷擊。閃電會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生非常高的電壓尖峰。當(dāng)閃電擊中天線(xiàn)時(shí)，會(huì)穿透射頻接收器。

3、汽車(chē)交流發(fā)電機(jī)

在汽車(chē)電子產(chǎn)品中，會(huì)有電壓浪涌，因?yàn)榻涣麟姍C(jī)在負(fù)載突降期間產(chǎn)生高壓尖峰。

4、電感電路/負(fù)載

電感電路和負(fù)載都容易引入浪涌電壓，大多數(shù)情況下，被稱(chēng)為感應(yīng)反沖。

七、如何設(shè)計(jì)浪涌保護(hù)電路

設(shè)計(jì)浪涌保護(hù)裝置沒(méi)有很難。實(shí)際上，某些電子設(shè)備的內(nèi)置浪涌保護(hù)只能是單個(gè)裝置，可以是MOV或金屬氧化物壓敏電阻或瞬態(tài)電壓抑制器TVS。假設(shè)在下圖中，浪涌保護(hù) 1 到 3 可以是 MOV 或 TVS。

有時(shí)，交流線(xiàn)路之間的浪涌保護(hù)裝置足以通過(guò)IEC標(biāo)準(zhǔn)。在少數(shù)情況下，線(xiàn)路和地之間需要浪涌保護(hù)電路。這尤其是在更高的浪涌電壓要求（4kV及以上）。

八、使用MOV作為浪涌保護(hù)器件

1、基本屬性

• MOV代表金屬氧化物壓敏電阻，通常用于電源線(xiàn)浪涌保護(hù)

• MOV 有些地方很像一個(gè)二極管，具有非線(xiàn)性和非歐姆電流和電壓特性，但是是雙向的

• 在有些性能上也可以比作雙向瞬態(tài)電壓抑制器 TVS

• 未達(dá)到鉗位電壓時(shí)，為開(kāi)路

下面是MOV的電壓-電流曲線(xiàn)。在第1象限和第3象限上具有幾乎恒定的電壓，ZnO和SiC分別代表氧化鋅和碳化硅，是兩種常見(jiàn)的制作MOV材料。

MOV的電壓-電流曲線(xiàn)

2、怎么選擇MOV？

對(duì)于通用90-264Vac線(xiàn)路，通常的MOV額定電壓為300Vrms。300Vrms是MOV可以承受的RMS或者連續(xù)施加電壓。

例如，我們將使用保險(xiǎn)絲TMOV14RP300ML2B7，根據(jù)數(shù)據(jù)表，它的額定交流電壓為 300Vac，但在 50A 峰值電流下的鉗位電壓為 775V。

接下來(lái)要驗(yàn)證的是MOV的浪涌電流額定值是否能夠處理指定的水平。根據(jù)下面所選的MOV數(shù)據(jù)表。在2000A和20usec 脈沖持續(xù)時(shí)間下，MOV能夠處理超過(guò)15次但少于100次的罷工。在下表中在2000A的設(shè)備上畫(huà)了虛線(xiàn)。

雖然數(shù)據(jù)表指定了鉗位電壓，但在2000A時(shí)不可能不再生效。下圖顯示了使用所選的MOV時(shí)。黃線(xiàn)的交叉點(diǎn)是鉗位電壓，已經(jīng)超過(guò)1000V。確保設(shè)置中使用的所有期間都能承受這個(gè)電壓水平。不然的話(huà)，就需要考慮使用另一個(gè)鉗位電壓較低的MOV。

3、MOV 電源線(xiàn)浪涌保護(hù)的理想位置

作為浪涌保護(hù)裝置的 MOV 必須安裝在保險(xiǎn)絲旁邊，如下圖所示。使用這種接線(xiàn)，一旦浪涌電流太大而 MOV 無(wú)法處理，保險(xiǎn)絲將斷開(kāi)并打開(kāi)電路，避免可能發(fā)生的災(zāi)難性故障。

MOV 電源線(xiàn)浪涌保護(hù)的理想位置

九、汽車(chē)?yán)擞恳种?/span>

浪涌不僅會(huì)發(fā)生在交流電源線(xiàn)上，在汽車(chē)系統(tǒng)中，電壓浪涌也是會(huì)經(jīng)常發(fā)生的，汽車(chē)系統(tǒng)使用鉛酸電池，6節(jié)電池與2.15V串聯(lián)時(shí)的典型滿(mǎn)充電電壓為12.9V每個(gè)電池。在計(jì)算中，通常使用14V的最大電池電壓，這個(gè)水平不會(huì)破壞電池，額定電壓為30V的設(shè)備生命周期也會(huì)很長(zhǎng)。

但是這種看法僅在穩(wěn)定狀態(tài)下是正確的，在不穩(wěn)定下是不正確的。

在穩(wěn)定狀態(tài)下不是所謂的”負(fù)載突降“。負(fù)載突降是用于描述電池在交流發(fā)電機(jī)充電時(shí)突然斷開(kāi)連接。對(duì)于12V系統(tǒng)，負(fù)載突降可能導(dǎo)致高達(dá)120V尖峰。

為了抵消這種負(fù)載突降情況，通常使用變阻器等浪涌保護(hù)電路。

在汽車(chē)中，負(fù)載突降波形由 ISO 7637 定義，如下圖所示。峰值電壓最大為 125V。與 IEC 61000-4-5 定義的標(biāo)準(zhǔn)相比，上升和脈沖寬度持續(xù)時(shí)間（T1 和 T）更長(zhǎng)。

ISO 7637的負(fù)載突降波形

十、汽車(chē)?yán)擞恳种破鞯睦硐胛恢?/span>

具體的如下圖所示。

汽車(chē)?yán)擞恳种破鞯睦硐胛恢?/span>

十一、為汽車(chē)系統(tǒng)等低壓直流選擇壓敏電阻

1、設(shè)計(jì)要求

• 輸入：24V直流

• 浪涌電流波形為8/20μs；電壓為1.2/50μs

• 峰值浪涌電流：800A

• 應(yīng)該能承受 40 次浪涌

• 保護(hù)敏感設(shè)備的額定電壓最大值為 250V

2、定義變阻器直流電壓

對(duì)于24V系統(tǒng)，也不要選擇額定電壓為24V的壓敏電阻。至少要有20%的安全余量。

但是，也不需要留太多，因?yàn)閷?duì)用于體積較大的壓敏電阻和更高的鉗位電壓。，

壓敏電壓=24V x 1.2=28.8V

3、選擇滿(mǎn)足浪涌電流和脈沖數(shù)的器件

上面具有31V DC額定值的都是候選。但是滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的沒(méi)有那么多，下面就需要考慮峰值浪涌電流和脈沖數(shù)，并且可以滿(mǎn)足的器件。

下面是上表中列出的14mm零件的脈沖持續(xù)時(shí)間與峰值浪涌電流能力的關(guān)系。根據(jù)圖表，14mm的無(wú)法滿(mǎn)足所需要的脈沖數(shù)。

14mm零件的脈沖持續(xù)時(shí)間與峰值浪涌電流能力的關(guān)系

下圖為20mm的脈沖額定曲線(xiàn)圖，在800A峰值浪涌電流下，器件可以保證40個(gè)以上的脈沖要求。因此，選擇20mm尺寸的零件。

20mm的脈沖額定曲線(xiàn)圖

從上表中，有兩個(gè)20mm尺寸的零件，首先考慮V20E25P。

4、檢查鉗位電壓

最后一步是檢查鉗位電壓。如果最大鉗位電壓超出要求，那上面做的都是無(wú)用功了。下面是 20mm 零件的最大鉗位電壓，從圖中可以看出，V20E25P 是浪涌的完美器件保護(hù)電路。

20mm 零件的最大鉗位電壓