电源浪涌保护需要注意什么

[导读]任何由主电源供电的电气设备都容易受到电压浪涌的影响。这些完全不可预测的事件可能以多种形式出现：从正常运行期间的适度功率尖峰到外部雷击引起的巨大功率浪涌。为了防止损坏和停机，电气设备和电路需要配备足够的浪涌保护。

任何由主电源供电的电气设备都容易受到电压浪涌的影响。这些完全不可预测的事件可能以多种形式出现：从正常运行期间的适度功率尖峰到外部雷击引起的巨大功率浪涌。为了防止损坏和停机，电气设备和电路需要配备足够的浪涌保护。

本文介绍了如何识别应用中电压浪涌的可能原因、适用的监管浪涌测试标准以及可用的不同类型的浪涌抑制装置。

评估浪涌风险

要确定电源的浪涌保护级别，我们必须预测可能遇到的浪涌类型。有些系统可能会遇到非常常见且可控的过压，而其他系统可能容易受到更极端的浪涌事件的影响。浪涌的三个主要原因是：

· 闪电

· 负载瞬变

· 故障

气象学家估计，每天有 300 万次闪电发生，地球每秒被击中 40 多次1。因此，雷击(无论是直接还是间接)是电厂浪涌事件的常见原因，这并不奇怪(图 1)。它们携带的电流和电压远远超过大多数系统的额定值。如果没有应用适当级别的保护，电子设备很可能会立即失效。

交流电源线上较温和的浪涌也可能由电路上其他设备的开启或关闭引起。虽然这些动作通常是正常操作的一部分，但它们仍然会产生快速而显著的电流变化，从而在电缆中引起电压尖峰。

故障也可能是电涌的来源。系统组件和设备的故障可能导致电路意外短路或断路，从而引发系统其他部分的瞬态电压和电流。

位置、布线以及应用于电源输入端的浪涌保护级别(内部或外部)等多种因素都会影响电源输入端浪涌电压的强度和幅度。

保护级别定义

多种行业标准都提供了浪涌风险分类和提供必要保护级别的指导。国际电工委员会的 IEC 61000-4-5 是电源最常见的标准。它在许多国家免疫标准中被引用，例如 EN 55035 规定了多媒体设备的免疫要求。

IEC 61000-4-5 定义了一种标准化测试方法，并根据安装类别和耦合方法定义了不同的保护等级(表 1)。安装类别 3-5 的测试要求范围为 1kV 至 4kV，与直流电源最为相关。

表 1：IEC 61000-4-5 连接至主电源的交流和直流电源的浪涌测试电压

浪涌保护装置

保护电源及其负载免受浪涌影响通常需要某种形式的内部或外部浪涌保护装置或电路。箝位器和短路器是两种主要的浪涌保护电路。

电压钳可防止电压超过所选的钳位电压。在浪涌事件期间，电压将保持在钳位电压，电流将通过钳位转移，直到浪涌过去。

这些电路中最常用的元件是瞬态电压抑制二极管(TVS)、金属氧化物压敏电阻(MOV)和气体放电管(GDT)。

表 2：典型的浪涌保护元件和特性

瞬态电压抑制二极管

TVS 二极管旨在吸收电压尖峰的多余能量，从而将其钳制。它们可以是单向的，也可以是双向的。与齐纳二极管一样，TVS 也有一个拐点电压，当电压超过该拐点电压时，二极管将开始导通。在浪涌条件下，电压被钳制在拐点电压，多余的能量将从电源中转移出去。

压敏电阻钳

电压敏感金属氧化物压敏电阻 (MOV) 提供比 TVS 二极管更柔和的钳位电压，并且反应时间更慢。MOV 双向运行，低压时电阻高，高压时电阻低。其低成本和浪涌处理能力使其成为电源浪涌保护的常见选择。但是，MOV 也会磨损，并且只能处理有限数量的浪涌事件。(图 2)

图 2：MOV 原理图符号(左)和电压-电流关系(右)

气体放电管

气体放电管 (GDT) 通常用作短路电路。短路器采用不同的浪涌保护方法。短路器不会将电压限制为最大值，而是将电路节点短路，使电压接近于零。GDT 与二极管一样，充当电压相关开关。它们通常表现为开路，当超过电压阈值时则表现为短路。GDT 可以处理更多电流，但也往往是反应最慢的浪涌保护装置。电源有时会将它们与其他方法结合使用，以获得更强大的解决方案。

由于每个设备的速度和能量处理能力不同，可能需要组合使用夹具类型来实现所需的电涌保护(图 3)。