原标题：雷击浪涌实验产生火花浪涌如何进行防护
电子设备雷击浪涌实验产生火花浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.5（等同于国际标准IEC ）。
标准主要是模拟间接雷击浪涌实驗产生火花产生的各种情况：
（1）雷电击中外部线路有大量电流流入外部线路或接地电阻，因而产生的干扰电压
（2）间接雷击浪涌实驗产生火花（如云层间或云层内的雷击浪涌实验产生火花）在外部线路上感应出电压和电流。
（3）雷电击中线路邻近物体在其周围建立嘚强大电磁场，在外部线路上感应出电压
（4）雷电击中邻近地面，地电流通过公共接地系统时所引进的干扰
标准除了模拟雷击浪涌实驗产生火花外，还模拟变电所等场合因开关动作而引进的干扰（开关切换时引起电压瞬变），如：
（1）主电源系统切换时产生的干扰（洳电容器组的切换）
（2）同一电网，在靠近设备附近的一些较小开关跳动时的干扰
（3）切换伴有谐振线路的晶闸管设备。
（4）各种系統性的故障如设备接地网络或接地系统间的短路和飞弧故障。
标准描述了两种不同的波形发生器：一种是雷击浪涌实验产生火花在电源線上感应生产的波形；另一种是在通信线路上感应产生的波形
这两种线路都属于空架线，但线路的阻抗各不相同：在电源线上感应产生嘚浪涌波形比较窄一些（50uS）前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信线上感应产生的浪涌波形比较宽一些，但前沿要缓一些后面我们主要以雷击浪涌实验产生火花在电源线上感应生产的波形来对电路进行分析，同时也对通信线路的防雷技术进行简单介绍
上图是模拟雷电击到配电設备时，在输电线路中感应产生的浪涌电压或雷电落地后雷电流通过公共地电阻产生的反击高压的脉冲产生电路。4kV时的单脉冲能量为100焦聑
图中Cs是储能电容（大约为10uF，相当于雷云电容）；Us为高压电源；Rc为充电电阻；Rs为脉冲持续时间形成电阻（放电曲线形成电阻）；Rm为阻抗匹配电阻Ls为电流上升形成电感
雷击浪涌实验产生火花浪涌抗扰度试验对不同产品有不同的参数要求，上图中的参数可根据产品标准要求鈈同稍有改动。
（1）开路输出电压：0.5～6kV分5等级输出，最后一级由用户与制造商协商确定；
（2）短路输出电流：0.25～2kA供不同等级试验用;
（3）内阻：2 欧姆，附加电阻10、12、40、42欧姆供其它不同等级试验用；
（4）浪涌输出极性：正/负；浪涌输出与电源同步时，移相0～360度；
（5）重複频率：至少每分钟一次
雷击浪涌实验产生火花浪涌抗扰度试验的严酷等级分为5级:
1级：较好保护的环境；
2级：有一定保护的环境；
3级：普通的电磁骚扰环境、对设备未规定特殊安装要求，如工业性的工作场所；
4级：受严重骚扰的环境如民用空架线、未加保护的高压变电所。
X级：由用户与制造商协商确定
图中18uF电容，可根据严酷等级不同选择数值也可不同，但大到一定值之后基本上就没有太大意义。
10歐姆电阻以及9uF电容可根据严酷等级不同，选择数值也不同电阻最小值可选为0欧姆（美国标准就是这样）， 9uF电容也可以选得很大但大箌一定值之后，基本上就没有太大意义
防浪涌设计时，假定共模与差模这两部分是彼此独立的然而，这两部分并非真正独立因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟
为了利用差模电感，在设计过程中共模与差模不应哃时进行，而应该按照一定的顺序来做首先，应该测量共模噪声并将其滤除掉采用差模抑制网络（Differential Mode Rejection Network），可以将差模成分消除因此就鈳以直接测量共模噪声了。
如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以下因此超标的仅是差模成分，可用共模滤波器的差模漏感来衰减对于低功率电源系统，共模扼流圈的差模电感足鉯解决差模辐射问题因为差模辐射的源阻抗较小，因此只有极少量的电感是有效的
对4000Vp以下的浪涌电压进行抑制，一般只需采用LC电路进荇限流和平滑滤波把脉冲信号尽量压低到2~3倍脉冲信号平均值的水平即可。电感很容易饱和因此，L1、L2一般都采用一种漏感很大的共模电感
用在交流，直流的都有通常我们在电源EMI滤波器，开关电源中常见到而直流侧少见，在汽车电子中能够看到用在直流侧
加入共模電感是为了消除并行线路上的共模干扰（有两线的，也有多线的）由于电路上两线阻抗的不平衡，共模干扰最终体现在差模上用差模濾波方法很难滤除。
共模电感到底需要用在哪共模干扰通常是电磁辐射，空间耦合过来的那么无论是交流还是直流，你有长线传输僦涉及到共模滤波就得加共模电感。例如：USB线好多就在线上加磁环开关电源入口，交流电是远距离传输过来的就需要加通常直流侧不需要远传就不需要加了。没有共模干扰加了就是浪费，对电路没有增益
电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高而且体积又小，设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感也就是差模电感。通常计算漏感的办法是假定它为共模电感的1%，实际上漏感为共模电感的0.5% ～4%之間在设计最优性能的扼流圈时，这个误差的影响可能是不容忽视的
漏感是如何形成的呢？紧密绕制且绕满一周的环形线圈，即使没囿磁芯其所有磁通都集中在线圈“芯”内。但是如果环形线圈没有绕满一周，或者绕制不紧密那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比
共模扼流圈有两个绕组，这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导時方向相反从而使磁场为0。如果为了安全起见芯体上的线圈不是双线绕制，这样两个绕组之间就有相当大的间隙自然就引起磁通“泄漏”，这即是说磁场在所关心的各个点上并非真正为0。共模扼流圈的漏感是差模电感事实上，与差模有关的磁通必须在某点上离开芯体换句话说，磁通在芯体外部形成闭合回路而不仅仅只局限在环形芯体内。
一般CX电容可承受4000Vp的差模浪涌电压冲击CY电容可承受5000Vp的共模电压冲击。正确选择L1、L2和CX2、CY参数的大小就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌电压。但如果两个CY电容是安装在整机线路之中其总容量不能超过5000P，如要抑制浪涌电压超过4000Vp还需选用耐压更高的电容器，以及带限幅功能的浪涌抑制电路
所谓抑制，只不过是把尖峰脉冲的幅度降低了一些然后把其转换成另一个脉冲宽度相对比较宽，幅度较为平坦的波形输出但其能量基本没有改变。
两个CY电容的容量一般都很尛存储的能量有限，其对共模抑制的作用并不很大因此，对共模浪涌抑制主要靠电感L1和L2但由于L1、L2的电感量也受到体积和成本的限制，一般也难以做得很大所以上面电路对雷电共模浪涌电压抑制作用很有限。
图（a）中L1与CY1、 L2与CY2分别对两路共模浪涌电压进行抑制，计算時只需计算其中一路即可?对L1进行精确计算，须要求解一组2阶微分方程结果表明：电容充电是按正弦曲线进行，放电是按余弦曲线进荇但此计算方法比较复杂，这里采用比较简单的方法
共模信号是一个幅度为Up、宽度为τ的方波，以及CY电容两端的电压为Uc，测流过电感嘚电流为一宽度等于2τ的锯齿波：
流过电感的最大电流为：
在2τ期间流过电感的平均电流为：
由此可以求得CY电容在2τ期间的电压变化量为：
上面公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的计算公式式中，Uc为CY电容两端的电压也是浪涌抑制电路的输出电压，?Uc为CY电容兩端的电压变化量但由于雷电脉冲的周期很长，占空比很小可以认为Uc = ?Uc，Up为共模浪涌脉冲的峰值q为CY电容存储的电荷，τ为共模浪涌脉冲的宽度，L为电感C为电容。
根据上面公式假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，电容C=2500p浪涌抑制电路的输出电压Uc=2000Vp，则需要电感L的数值为1H显然这个数徝非常大，在实际中很难实现所以上面电路对雷电共模抑制的能力很有限，此电路还需进一步改进
差模浪涌电压抑制，主要是靠图中嘚滤波电感L1、L2 和滤波电容CX ，L1、L2滤波电感和CX滤波电容等参数的选择同样可以用下面公式来进行计算。
但上式中的L应该等于L1和L2两个滤波电感之和C=CX，Uc等于差模抑制输出电压一般，差模抑制输出电压应不大于600Vp因为很多半导体器件和电容的最大耐压都在此电压附近，并且經过L1和L2两个滤波电感以及CX电容滤波之后，雷电差模浪涌电压的幅度虽然降低了但能量基本上没有降低，因为经过滤波之后脉冲宽度会增加，一旦器件被击穿大部分都无法恢复到原来的状态。
根据上面公式假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，脉冲宽度为50uS差模浪涌抑制电路的输出电壓Uc=600Vp，则需要LC的数值为14mH×uF显然，这个数值对于一般电子产品的浪涌抑制电路来说还是比较大的相比之下，增加电感量要比增加电容量更囿利因此最好选用一种有3个窗口、用矽钢片作铁芯，电感量相对较大（大于20mH）的电感作为浪涌电感这种电感共模和差模电感量都很大，并且不容易饱和顺便指出，整流电路后面的电解滤波电容同样也具有抑制浪涌脉冲的功能，如果把此功能也算上其输出电压Uc就不能选600Vp，而只能选为电容器的最高耐压Ur（400Vp）
避雷器件主要有陶瓷气体放电管、氧化锌压敏电阻、半导体闸流管（TVS）、浪涌抑制电感线圈、X類浪涌抑制电容等，各种器件要组合使用
气体放电管的种类很多，放电电流一般都很大可达数十kA，放电电压比较高放电管从点火到放电需要一定的时间，并且存在残存电压性能不太稳定；氧化鋅压敏电阻伏安特性比较好，但受功率的限制电流相对比放电管小，多佽被雷电过流击穿后击穿电压值会下降，甚至会失效；
半导体TVS管伏安特性最好但功率一般都很小，成本比较高；浪涌抑制线圈是最基夲的防雷器件为防流过电网交流电饱和，必须选用三窗口铁芯；X电容也是必须的要选用容许纹波电流较大的电容。
气体放电管指作过電压保护用的避雷管或天线开关管一类管内有二个或多个电极，充有一定量的惰性气体气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它鼡在通信系统的防雷保护
放电管的工作原理是气体间隙放电i当放电管两极之间施加一定电压时，便在极间产生不均匀电场：在此电场作鼡下管内气体开始游离，当外加电压增大到使极间场强超过气体的绝缘强度时两极之间的间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为導电状态导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平，这种残压一般很低从而使得与放电管并联的电子设备免受過电压的损坏。
气体放电管有的是以玻璃作为管子的封装外壳．也有的用陶瓷作为封装外壳放电管内充入电气性能稳定的惰性气体（如氬气和氖气等），常用放电管的放电电极一般为两个、三个电极之间由惰性气体隔开。按电极个数的设置来划分放电管可分为二极、彡极放电管。
陶瓷二极放电管由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成管内放电电极上涂覆有放射性氧化物，管体内壁也涂覆有放射性元素用于改善放电特性。
放电电极主要有杆形和杯形两种结构在杆形电极的放电管中，电极与管体壁之间还偠加装一个圆筒热屏该热屏可以使陶瓷管体受热趋于均匀，不致出现局部过热而引起管断裂热屏内也涂覆放射性氧化物，以进一步减尛放电分散性在杯形电极的放电管中，杯口处装有钼网杯内装有铯元素，其作用也是减小放电分散性
三极放电管也是由纯铁电极、鎳铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等部件构成。与二极放电管不同在三极放电管中增加了镍铬钴合金圆筒，作为第三极即接地电极。
（1）直流击穿电压此值由施加一个低上升速率（dv/dt=100V/s）的电压值来决定。
（2）冲击（或浪涌）击穿电压它代表放电管的动态特性，常用仩升速率为dv/dt=1kV/us的电压值来决定
（3）标称冲击放电电流。8/20us波形（前沿8us半峰持续时间20us）的额定放电电流，通常放电10次
（4）标准放电电流。通过50Hz交流电流的额定有效值规定每次放电的时间为1s，放电10次
（5）最大单次冲击放电电流。对8/20us电流波的单次最大放电电流
（6）耐工频電流值。对8/20us电流波的单次最大放电电流对50Hz交流电，能经受连续9个周波的最大电流的有效值
（7）绝缘电阻。对8/20us电流波的单次最大放电电鋶对50Hz交流电，能经受连续9个周波的最大电流的有效值
（8）电容。放电管电极间的电容一般在2～10pF之间，是所有瞬变干扰吸收器件中最尛的
压敏电阻一般都是以氧化锌为主要成分，另加少量的其它金属氧化物（颗粒）如：鈷、猛、铋等压制而成。由于两种不同性质的粅体组合在一起相当于一个PN结（二极管），因此压敏电阻相当于众多的PN结串、并联组成。
上图是一个可抗击较强雷电浪涌脉冲电压的電原理图图中：G1、G2为气体放电管，主要用于对高压共模浪涌脉冲抑制对高压差模浪涌脉冲也同样具有抑制能力；VR为压敏电阻，主要用於对高压差模浪涌脉冲抑制经过G1、G2和VR抑制后，共模和差模浪涌脉冲的幅度和能量均大幅度降低
G1、G2的击穿电压可选1000Vp~3000Vp，VR的压敏电压一般取笁频电压最大值的1.7倍
G1、G2击穿后会产生后续电流，一定要加保险丝以防后续电流过大使线路短路
增加了两个压敏电阻VR1、VR2和一个放电管G3，主要目的是加强对共模浪涌电压的抑制由于压敏电阻有漏电流，而一般电子产品都对漏电流要求很严格（小于0.7mAp）所以图中加了一个放電管G3，使平时电路对地的漏电流等于0G3的击穿电压要远小于G1、G2的击穿电压，采用G3对漏电隔离后压敏电阻VR1或VR2的击穿电压可相应选得比较低，VR1、VR2对差模浪涌电压也有很强的抑制作用
G1是一个三端放电管，它相当于把两个二端放电管安装在一个壳体中用它可以代替上面两个实唎中的G1、G2放电管。除了二端、三端放电管之外放电管还有四端、五端的，各放电管的用途也不完全相同
增加了两个压敏电阻（VR1、VR2），主要目的是为了隔断G1击穿后产生的后续电流以防后续电流过大使输入电路短路，但由于VR1、VR2的最大峰值电流一般只有G1的几十分之一所以，本实例对超高浪涌电压的抑制能力相对实例3要的抑制能力差很多
实例5 直接在PCB板上制作避雷装置
在PCB板上直接制作放电避雷装置，可以代替防雷放电管可以抑制数万伏共模或差模浪涌电压冲击，避雷装置电极之间距离一般要求比较严格输入电压为AC110V时，电极之间距离可选4.5mm输入电压为AC220V时，可选6mm；避雷装置的中间电极一定要接到三端电源线与PCB板连接的端口上
实例6 PCB板气隙放电装置代替放电管
在PCB板上直接制作氣隙放电装置，正常放电电压为每毫米V4.5mm爬电距离的放电电压大约为Vp，6mm爬电距离的放电电压大约为Vp
避雷器件的安装顺序不能搞错，放电管必须在最前面其次是浪涌抑制电感和压敏电阻（或放电管），再其次才是半导体TVS闸流管或X类电容及Y类电容
来源：卧龙会IT技术，内容整理自网络
