一種防雷擊浪涌的開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

0序言

??? 隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，感應(yīng)雷和雷電波侵入造成的危害卻大大增加。一般建筑物上的避雷針只能預(yù)防直擊雷，而強(qiáng)大的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)雷和脈沖電壓卻能潛入室內(nèi)危及電視、電話及電子儀表等用電設(shè)備。特別是太陽(yáng)能控制儀表，由于太陽(yáng)能安裝位置的特殊情況，其使用穩(wěn)定性是廣大開(kāi)發(fā)人員一直關(guān)注的重點(diǎn)。瞬間高電壓的雷擊浪涌以及信號(hào)系統(tǒng)浪涌是引起儀表穩(wěn)定性差的重要原因，信號(hào)系統(tǒng)浪涌電壓的主要來(lái)源是感應(yīng)雷擊、電磁干擾(EMI)、無(wú)線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如電話線)受到這些干擾信號(hào)的影響，會(huì)使傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，影響傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和傳輸速率。如何設(shè)計(jì)防雷電路成為儀表研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 雷擊浪涌分析

??? 最常見(jiàn)的電子設(shè)備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發(fā)生時(shí)在電源和通訊線路中感應(yīng)的電流浪涌引起的。一方面由于電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化(VLSI芯片)，從而造成設(shè)備耐壓、耐過(guò)電流的水平下降，對(duì)雷電(包括感應(yīng)雷及操作過(guò)電壓浪涌)的承受能力下降，另一方面由于信號(hào)來(lái)源路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波侵入。浪涌電壓可以從電源線或信號(hào)線等途徑竄入電腦設(shè)備，我們就這兩方面分別討論：

??? 1)電源浪涌

??? 電源浪涌并不僅源于雷擊，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障、投切大負(fù)荷時(shí)都會(huì)產(chǎn)生電源浪涌，電網(wǎng)綿延千里，不論是雷擊還是線路浪涌發(fā)生的幾率都很高。當(dāng)距你幾百公里的遠(yuǎn)方發(fā)生了雷擊時(shí)，雷擊浪涌通過(guò)電網(wǎng)光速傳輸，經(jīng)過(guò)變電站等衰減，到你的電腦時(shí)可能仍然有上千伏，這個(gè)高壓很短，只有幾十到幾百個(gè)微秒，或者不足以燒毀電腦，但是對(duì)于電腦內(nèi)部的半導(dǎo)體元件卻有很大的損害，正象舊音響的雜音比新的要大是因?yàn)閮?nèi)部元件受到損害一樣，隨著這些損害的加深，電腦也逐漸變的越來(lái)越不穩(wěn)定，或有可能造成您重要數(shù)據(jù)的丟失。美國(guó)GE公司測(cè)定一般家庭、飯店、公寓等低壓配電線(110V)在10 000小時(shí)(約一年零兩個(gè)月)內(nèi)在線間發(fā)生的超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數(shù)達(dá)到800余次，其中超過(guò)1000V的就有300余次。這樣的浪涌電壓完全有可能一次性將電子設(shè)備損壞。

??? 2)信號(hào)系統(tǒng)浪涌

??? 信號(hào)系統(tǒng)浪涌電壓的主要來(lái)源是感應(yīng)雷擊、電磁干擾、無(wú)線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如電話線)受到這些干擾信號(hào)的影響，會(huì)使傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，影響傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和傳輸速率。排除這些干擾將會(huì)改善網(wǎng)絡(luò)的傳輸狀況。

??? 基于以上的技術(shù)缺陷和狀況，本文根據(jù)實(shí)際使用設(shè)計(jì)了一種基于壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單相并聯(lián)式抗雷擊浪涌的開(kāi)關(guān)電源電路。

2 防雷擊浪涌電路的設(shè)計(jì)

??? 本文所設(shè)計(jì)的是一種基于壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單相并聯(lián)式抗雷擊浪涌電路，并將其應(yīng)用到儀表的開(kāi)關(guān)電源上。整個(gè)電路包括防雷電路和開(kāi)關(guān)電源電路，其中防雷電路采用3個(gè)壓敏電阻和一個(gè)陶瓷氣體放電管組成復(fù)合式對(duì)稱電路，共模、差摸全保護(hù)。與經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電源電路組成防雷儀表的電源電路，采用壓敏電阻并聯(lián)，延長(zhǎng)使用壽命，在壓敏電阻短路失效后與開(kāi)關(guān)電源電路分離，不會(huì)引起失火。

??? 為了實(shí)現(xiàn)上述目的所采取的設(shè)計(jì)方案是：將壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單相并聯(lián)式抗雷擊浪涌電路應(yīng)用到儀表的電源上。主要分為防雷電路部分和開(kāi)關(guān)電源電路部分，電路簡(jiǎn)單，采用復(fù)合式對(duì)稱電路，共模、差摸全保護(hù)，可以不分L、N端連接。使壓敏電阻RV1位于貼片整流模塊前端分別與電源L、N并聯(lián)，主要來(lái)鉗位L、N線間電壓，壓敏電阻RV0、RV2與陶瓷氣體放電管FD1串聯(lián)后接地，RV0與FD1串聯(lián)主要是泄放L線上感應(yīng)雷擊浪涌電流，RV2與FD1串聯(lián)主要是泄放由信號(hào)口串人24V參考電位上的能量，RV0、RV2短路失效后，F(xiàn)D1可將其與電源電路分離，不會(huì)導(dǎo)致失火現(xiàn)象。RV1前端線路上串聯(lián)了一個(gè)線繞電阻，當(dāng)此RV1短路失效時(shí)，線繞電阻可起到保險(xiǎn)絲的作用，將短路電路斷開(kāi)，壓敏電阻屬電壓鉗位型保護(hù)器件，其鉗位電壓點(diǎn)即壓敏電阻參數(shù)選擇相對(duì)比較重要(選壓敏電壓高一點(diǎn)的，通流量大一些的更安全、耐用，故障率低)；根據(jù)通流容量要求選擇外形尺寸和封裝形式，本電路中采用561k－10D的壓敏電阻與陶瓷氣體放電管串聯(lián)來(lái)延長(zhǎng)使用壽命和確保安全。陶瓷氣體放電管的通流容量根據(jù)要求的通流容量選擇，電路采用3RM470L－7．5－L，通流量為5000A。線繞電阻R1起限流分壓作用；貼片整流模塊為開(kāi)關(guān)電源電路前端整流作用，C1為高壓濾波電容，Y1為去耦電容，電阻R2和電容C2及VD2組成開(kāi)關(guān)電源芯片MOS管的吸收鉗位電路，保護(hù)芯片，開(kāi)關(guān)電源芯片采用PI公司的TNY27系列，TR1為高頻變壓器，VD3、C3構(gòu)成高頻變壓器次級(jí)濾波，U2、VD4、R3、R4、R5構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源電路的反饋電路，可將變壓器次級(jí)輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值，此防雷抗浪涌電路在實(shí)際使用中取得了較好的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

??? 基于壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單項(xiàng)并聯(lián)式防雷電路在近年的太陽(yáng)能控制儀表開(kāi)發(fā)中逐漸被廣大設(shè)計(jì)人員所青睞，本文所設(shè)計(jì)的電路就其嚴(yán)謹(jǐn)性，完全符合國(guó)標(biāo)GB／T 17626．5的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際使用中可以空出PCB板的空間來(lái)為開(kāi)發(fā)者提供隨心所欲的設(shè)計(jì)舞臺(tái)。