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「浪涌保护方案设计」如何使用浪涌保护方案避免浪涌效应

2022-08-31

  在工业通讯现场,雷电过电压、落雷引发出的诱导雷浪涌,还有电源系统(特别是带很重的感性负载)开关切换引起的浪涌,这些浪涌产生的瞬态过压和过流,从而导致数据总线通讯网络瘫痪甚至使元器件发出错误的信号,会给用户带来很大的损失。现在防雷、防浪涌和防过电压这些都是总线设计必须考虑的因素。


  通常所说的防浪涌,有两个类型:一个是共模,一个差模。雷电或大电流切换时产生的浪涌一般是共模的,差模形式的浪涌往往是由于数据电缆附近有高压线经过,数据线缆和高压线之间因绝缘不良而产生的,虽然差模比共模产生的电压和电流小得多,但它不像共模那样只维持很短的时间,而会在数据通信网络中较长时间内稳定存在。



  常规浪涌防护方案——分立方案


  防浪涌电路通常分为隔离法和规避法。隔离法就是采用光耦合器或磁耦合器,将输入和输出信号隔离分开,只要浪涌产生的电压幅值不超过器件标称的值,光耦或磁耦就不会损坏,即使浪涌电压长时间存在也不会对隔离的设备产生损害。这类隔离法只能抑制共模形式的浪涌,不能抑制差模形式的浪涌。(这里说的浪涌,主要是由于落雷而发生的诱导雷浪涌、电路系统内浪涌等,直击雷不属于讨论范围)。


  规避法就是主设备的地连在一起形成单点接地,一旦有浪涌出现就可安全转移浪涌能量,此外有必要增加一些抑制浪涌的器件。能将浪涌所产生的有害电流在到达数据端口前泄放到地回路中去的器件,主要有Tvs管、压敏电阻、气体放电管,它们都有一个钳位电压,一旦超过该钳位电压,器件就会在连接点之间产生一个低阻抗,从而转移有害的电流。


  如果将隔离法和规避法相结合,就可以更好地保护系统。规避器件一方面可抑制浪涌保护隔离器件,也可以抑制总线上产生的差模形式浪涌。隔离器件抑制共模形式浪涌,保护主设备。两者相辅相成,能够更好地保护总线设备。


  高效浪涌防护方案——模块方案


  接口电路虽然能够提供有效的防护,但是需要引入较多的电子器件,这也就意味着接口电路将占用更多的PCB空间,若器件参数选择不合适易造成EMC问题。


  针对电子、电气设备浪涌保护设备,其实早就有据可依。IEC 61000-4-5就规定了设备对由开关和雷电瞬变过电压引起的单极性浪涌的抗扰度要求、实验方法和推荐的实验等级范围。标准规定了一个一致的实验方法,以评价设备和系统对规定对象的抗扰度。目的就是建立一个共同的基准,以评价电气和电子设备在遭受浪涌时的性能。


  浪涌抗扰度测试,检验浪涌抑制器是否满足 IEC61000-4-5±4KV 防护要求,测试配置依据 IEC61000-4-5 中非屏蔽对称通信线进行测试,具体测试电路测试过程中向浪涌抑制器施加不同等级浪涌电压,在其信号输入输出端测量电压波形。


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