電源產(chǎn)品的雷擊防制

時(shí)間：2012/10/8閱讀：1842

電源產(chǎn)品的雷擊防制

雷擊是大自然界現(xiàn)象,當(dāng)雷擊中地面或障礙物時(shí),瞬間的突波電壓會(huì)藉由傳輸系統(tǒng)（如電力線(xiàn)/天線(xiàn)/網(wǎng)絡(luò)）等進(jìn)入電源產(chǎn)品（Power supply） ,此異常能量造成產(chǎn)品內(nèi)部的組件損毀。另外, 在現(xiàn)實(shí)生活中, 電源開(kāi)關(guān)切換與插頭的插拔, 也有可能出現(xiàn)類(lèi)似的瞬間的突波電壓。
為了驗(yàn)證產(chǎn)品對(duì)雷擊防制的耐受程度 , 因此IEC 針對(duì)不同的產(chǎn)品定出的雷擊測(cè)試規(guī)范（IEC-61000-4-5） , 表就針對(duì)不同產(chǎn)品所訂定的規(guī)范。

為了模擬雷擊波形與能量, 測(cè)試的方式主要分為以下兩種

開(kāi)路電壓（open circuit voltage）（圖二）

與短路電流（short circuit current）（圖三） :

雷擊的測(cè)試項(xiàng)目主要針對(duì)電源火線(xiàn)（L）,地線(xiàn)（N）,地（E）進(jìn)行不同組合測(cè)試主要測(cè)試

項(xiàng)目有四種（L??E , N??E, L&N??E, L??N）, 般設(shè)計(jì)考慮上分為共模（Common Mode）與差模（Differential mode）兩大類(lèi), A. L??E , N??E, L&N??E 測(cè)試屬于共模（Common Mode） B. L??N 測(cè)試屬于差模（Differential mode）

以下是做雷擊測(cè)試時(shí)Common Mode 和Differential mode 的路徑如圖四所示

圖四

共模的雷擊對(duì)策: （Common Mode）

共模雷擊能量泄放路徑,（參考圖四綠線(xiàn)） ,先考慮跨初、次會(huì)因距離不足而造成其雷擊跳火或組件損壞的路徑有那些?（變壓器 /光耦合器 /Y-Cap）針對(duì)這三個(gè)組件選擇與設(shè)計(jì)考慮如下:

1. 變壓器:

因變壓器橫跨于初、次組件, 依照工作電壓有不同的安規(guī)距離要求, 般采用Class B 的等, 零件本身初次需通過(guò)Hi-POT 3000Vac , 需特別注意腳距離與鐵心的距離以及繞組每層膠帶數(shù)量是否絕緣強(qiáng)度。

2. 光耦合器:

組件本身的距離需安規(guī)的要求, layout 時(shí)零件下方不可有Trace 避免距離不足的問(wèn)題。

3. Y-Cap:

本身的特是頻低阻抗的組件,當(dāng)共模雷擊測(cè)試時(shí),能量會(huì)通過(guò)Y-Cap所擺放的路徑, 因此layout 布局時(shí)半導(dǎo)體組件（PWM IC , TL431, OP…） GND trace 應(yīng)避開(kāi)Y Cap 雷擊能量泄放路徑, 以避免成零件的損壞

差模的雷擊對(duì)策: （Differential）

雷擊能量流經(jīng)的路徑主要在橋式整流器前的L 和N 回路, 主要對(duì)策如下: Varistor（MOV）或 Spark Gap（雷擊管）吸收等組件吸收并抑制能量流入power supply 內(nèi)部。

1. Thermistor （NTC） :串接于L or N 的路徑上,會(huì)增加回路的阻抗值,進(jìn)而降低進(jìn)入Power supply 的電流能量。

2.MOV（Metal Oxide Varistor ） :金屬氧化物或突波吸收器, 使用上并聯(lián)于L 和N 上,組件本身為個(gè)阻抗的組件,在般的情形下并不會(huì)有損耗產(chǎn)生,只有稍許的漏電流,當(dāng)瞬間的雷擊電位進(jìn)入電源輸入端且過(guò)MOV 的崩潰電壓,此時(shí)產(chǎn)生抑制電壓的動(dòng)作,而讓瞬間上升電流流經(jīng)MOV 本身進(jìn)行能量吸收,降低雷擊的能量進(jìn)入Power Supply 本身。

3. Spark Gap or Gas Discharge Tube : 使用上并聯(lián)于Common Choke 同次側(cè)的兩端,針對(duì)雷擊所產(chǎn)生的動(dòng)作保護(hù)原理當(dāng)瞬間的電位在Common Choke 兩端過(guò)其額定的電壓時(shí)會(huì)激發(fā)惰氣體, 此時(shí)Spark Gap 會(huì)產(chǎn)生電弧放電,將突波的能量抑制下來(lái),不讓大量的能量進(jìn)入Power Supply ,

4. 在layout 上規(guī)劃出鋸齒狀的銅箔形式,兩端距離約1mm,當(dāng)Common Choke 兩端的壓差太大時(shí),產(chǎn)生放電的現(xiàn)象,將能量進(jìn)而宣泄。

除了上述設(shè)計(jì)上所應(yīng)注意的地方之外, Layout 上如何達(dá)到對(duì)電擊的防制亦是重要環(huán)

1. 地線(xiàn)（Ground）的處理,如圖五所示,

A. 次側(cè)的部分,Ground 的layout 順序大電容的Ground ->??Current -> sensor ->??Y-Cap??次側(cè)變壓器輔助繞組Vcc 電容的Ground ->??PWM IC 外圍
組件的ground ->??PWM IC 的ground 。

B. 二次側(cè)的部分:1. TL431 的地接至第二輸出電容的地。

C. 二次側(cè)Y-cap 的出腳接至二次側(cè)變壓器的ground 。

圖五

2. 正端壓部分的處理, 如圖六所示。

圖六

A. L,N 兩線(xiàn)距離2.5mm以上及與E 的距離在4mm以上。
B. 壓的銅箔與低壓的銅箔距離在1.5mm以上。
C. 、二次側(cè)的距離在6mm以上。

4. PWM IC layout 的注意事項(xiàng) ,因PWM IC 相較于其它的組件而言是屬于比較脆弱且易損傷的組件, ,舉例筆者所任職通嘉科技（Leadtrend Technology Corp.）的PWM IC LD7576 產(chǎn)品做個(gè)說(shuō)明（客戶(hù)power board 實(shí)測(cè)可通過(guò)6KV surge）,在般的PWM IC 都會(huì)定義每支腳位所能承受的zui大電位及負(fù)向電壓如圖七所示,所以開(kāi)始layout 其組件的擺置相形重要。

1. Vcc 的電解電容及陶瓷電容。
2. Cs pin 的陶瓷電容。
3. CT pin 的陶瓷電容。
4. COMP pin 的陶瓷電容。

以上電容都要盡量要靠近IC,以防止瞬間電壓進(jìn)入PWM IC（尤其是負(fù)電壓）。再來(lái)就Ground 的處理, 先將PWM IC 之 CT / CS / COMP GND 接在起后,單點(diǎn)進(jìn)入IC GND,再接至Vcc 電解/陶瓷電容的Ground zui后再接至輔助繞組的Ground。

Absolute Maximum Ratings
Supply Voltage VCC -0.3V~30V
High-Voltage at HV pin -0.3V~600V
COMP, CT, CS -0.3V~7V

對(duì)于layout ground 的部分用實(shí)例來(lái)解釋如圖八所示, Ground 的layout 準(zhǔn)則

1. Current sense 電阻直接回到大電容的地。
2. 由大電容的地先到變壓器的地再到輔助繞組 Vcc 電解電容的地。
3. 由輔助繞組 Vcc 電解電容再分出去給光耦合器的地及IC 外圍陶瓷電容的地,zui后接到PWM IC 的地。

撰寫(xiě)本文的目的是將筆者這幾年在設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器上針對(duì)雷擊防制上的經(jīng)驗(yàn)上做個(gè)匯整能夠?qū)δ壳罢龔氖掠赑ower Supply 設(shè)計(jì)的専業(yè)人員有些幫助。

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