SPD電路方案的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證
編輯：2021-06-14 16:56:22
摘要：
由于設(shè)備的浪涌防護(hù)電路既需要通流大的粗防護(hù)，又需要精確防護(hù)，因此提出了兩種基于壓敏電阻和 TVS 浪涌防護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案。對(duì)這兩種方案進(jìn)行測(cè)試、分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，說(shuō)明了防護(hù)器件之間的連接不能僅采用簡(jiǎn)單的并聯(lián)方式，需要在其中增加退耦器件，以實(shí)現(xiàn)浪涌防護(hù)器件組合防護(hù)。太原防雷檢測(cè)
在產(chǎn)品防浪涌設(shè)計(jì)中，針對(duì)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的浪涌應(yīng)力和測(cè)試應(yīng)力，都進(jìn)行了相應(yīng)的器件選型和配合設(shè)計(jì)。但時(shí)常會(huì)發(fā)生測(cè)試不通過(guò)，或者應(yīng)用中防護(hù)器件和后端被保護(hù)電路被浪涌打壞的現(xiàn)象。本文就此現(xiàn)象，結(jié)合了兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試、對(duì)比分析，并對(duì)浪涌防護(hù)器件組合防護(hù)方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。說(shuō)明了壓敏電阻和 TVS 之間增加電感的電路設(shè)計(jì)方案有利于承受較大浪涌，保護(hù)電路的有效性。運(yùn)城防雷檢測(cè)
1.1?方案 I 和方案 II 的設(shè)計(jì)
-48V 供電電路要求浪涌防護(hù)能力 ±4kV（組合波1.2/50?μs，8/20μs 波形），因此設(shè)計(jì)了兩種浪涌防護(hù)電路方案進(jìn)行對(duì)比測(cè)試和驗(yàn)證，其原理都是壓敏電阻進(jìn)行通流大的粗防護(hù)，TVS 實(shí)現(xiàn)精確防護(hù)。方案 I 如圖 1所示，為了保護(hù)好后級(jí)電路，-48?V（負(fù)極）線路上串聯(lián)保險(xiǎn)絲（A3），48RTN( 正極 ) 線路在入口處接保護(hù)地 P，經(jīng)過(guò)壓敏電阻（A2）和 TVS（A1）進(jìn)行浪涌防護(hù)。如圖 2 所示，方案 II 是在方案 I上進(jìn)行了改進(jìn)，在壓敏電阻和 TVS之間的 -48V 線纜上增加電感（A4）。兩種方案壓敏電阻和 TVS 同規(guī)格型號(hào)，不同點(diǎn)就是方案 II多一個(gè)電感。忻州防雷檢測(cè)
1.2?設(shè)計(jì)方案的測(cè)試方法
針對(duì)兩種方案進(jìn)行浪涌測(cè)試，在 -48V 和 48RTN之間施加測(cè)試應(yīng)力，正負(fù)極性各施加至少 5 次浪涌沖擊，每次間隔 1分鐘，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性。各參數(shù)的測(cè)試設(shè)置要求如下 ：
2.1?測(cè)試結(jié)果
對(duì)所有樣品的電源口進(jìn)行浪涌測(cè)試，兩種設(shè)計(jì)方案的測(cè)試結(jié)果如表 2 所示 ：
（1）測(cè)試應(yīng)力（即浪涌）為 ±1kV，結(jié)果方案Ⅰ和方案Ⅱ的 6 個(gè)樣品都正常。 呂梁避雷檢測(cè)
（2）測(cè)試應(yīng)力（即浪涌）為 ±2kV，方案Ⅰ出現(xiàn)一個(gè)樣品突然掉電現(xiàn)象，另外兩個(gè)樣品正常。方案Ⅱ所有樣品都正常。朔州防雷檢測(cè)
（3）測(cè)試應(yīng)力為 ±4?kV的浪涌，方案Ⅰ另外兩個(gè)樣品出現(xiàn)突然掉電現(xiàn)象，方案Ⅱ所有樣品都正常。
2.2?結(jié)果分析
對(duì)測(cè)試結(jié)果（2）進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，掉電的測(cè)試樣品在 -48V 電源區(qū)域出現(xiàn) -48V 和 48RTN 之間 TVS（A1）短路，保險(xiǎn)絲（A3）熔斷，從而導(dǎo)致主電路斷路（即掉電）。樣品壓敏電阻（A2）經(jīng)測(cè)試為正常情況，其他器件經(jīng)過(guò)檢查同樣沒有任何損傷現(xiàn)象。更換失效的 TVS和保險(xiǎn)絲，樣品重新工作正常。據(jù)此推斷，應(yīng)該是 TVS首先短路，造成 -48V 和保護(hù)地（P）之間產(chǎn)生大電流，大電流造成保險(xiǎn)絲熔斷，從而造成樣品掉電。測(cè)試結(jié)果（3）的原因與測(cè)試結(jié)果（2）相同。 大同避雷檢測(cè)
當(dāng) TVS 承受的浪涌瞬間能量沖擊超過(guò)本身脈沖峰值功率時(shí)，確實(shí)能造成 TVS 短路失效。但按照本設(shè)計(jì)方案的原則和初衷，樣品前級(jí)有壓敏電阻實(shí)現(xiàn)大能量沖擊的粗防護(hù)，后級(jí) TVS 實(shí)現(xiàn)精確細(xì)防護(hù)。壓敏電阻應(yīng)首先動(dòng)作，保護(hù)后面的器件和電路。即使浪涌瞬間沖擊能量大，動(dòng)作后的壓敏電阻也能將大能量在此環(huán)節(jié)泄放到大地，到 TVS 的瞬間沖擊能量應(yīng)該很小了，不足以讓 TVS 損壞。若有器件損壞，首先損壞的應(yīng)是壓敏電阻。臨汾防雷檢測(cè)
可是，目前實(shí)際測(cè)試情況和設(shè)計(jì)之初設(shè)想的不一樣，壓敏電阻正常，后級(jí)細(xì)防護(hù)的 TVS 卻被打壞了。TVS響應(yīng)時(shí)間比壓敏電阻相應(yīng)時(shí)間快，TVS 可以達(dá)到 ps 級(jí)，而壓敏響應(yīng)時(shí)間只有 ns 級(jí)別。是否存在以下情況 ：在浪涌瞬間能量沖擊時(shí)，樣品中的 TVS 先動(dòng)作，或者和壓敏同時(shí)動(dòng)作，造成 TVS 承受超過(guò)本身脈沖峰值功率的能量而損壞？而方案 II 所有樣品表現(xiàn)正常，是否因?yàn)槎嘁粋€(gè)電感的作用？ 山西避雷驗(yàn)收
為了驗(yàn)證上述推測(cè)的正確性，決定重新進(jìn)行浪涌測(cè)試，捕捉防護(hù)器件動(dòng)作波形，觀察防護(hù)器件的動(dòng)作和防護(hù)情況。取正常的方案 I 樣品和方案 II 樣品各一塊，進(jìn)行 ±2kV 浪涌測(cè)試。分別在壓敏電阻兩端和 TVS 兩端采集浪涌波形。測(cè)試波形如圖 3 和圖 4 所示。可以看出，方案 I 上的壓敏電阻和 TVS 幾乎同時(shí)動(dòng)作，一起分擔(dān)浪涌的能量。而方案 II 壓敏電阻動(dòng)作后，TVS 才開始動(dòng)作，時(shí)間相差 2μs 多，這個(gè)時(shí)間差讓壓敏電阻承擔(dān)了沖擊能量的大部分。驗(yàn)證了推測(cè)的正確性。山西避雷塔
通過(guò)對(duì)浪涌防護(hù)電路設(shè)計(jì)方案的測(cè)試，分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可知 ：
（1）由于兩個(gè)方案中選用的是最大可單獨(dú)承受±1.5kV 浪涌的 TVS，因此當(dāng)外界沖擊能量較小時(shí)，即使 TVS 承受主要的沖擊，也不會(huì)被擊穿短路。 山西避雷器
（2）方案 I 防護(hù)設(shè)計(jì)不合理，沒有實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)初衷。由于TVS 比壓敏電阻的反應(yīng)快，且在 TVS 與壓敏電阻之間，無(wú)器件來(lái)阻擋大電流，當(dāng)受到能量大的浪涌沖擊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致 TVS 被損壞。方案 II 在壓敏電阻和 TVS 之間加電感，起到了延時(shí)和對(duì)浪涌電流限流的作用，保證了壓敏電阻比 TVS 先動(dòng)作，滿足了設(shè)計(jì)要求。晉中防雷檢測(cè)
（3）測(cè)試過(guò)程中方案 I 出現(xiàn)過(guò)一個(gè)樣品在 ±2kV 浪涌時(shí)，TVS 擊穿短路，另外兩個(gè)樣品正常的現(xiàn)象。原因是 TVS 性能的個(gè)體差異引起的不同現(xiàn)象。后面兩個(gè)樣品TVS 在 ±4kV 浪涌時(shí)全部損壞是必然，壓敏電阻和 TVS同時(shí)承受了能量沖擊，TVS 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自身承受能力。 長(zhǎng)治避雷檢測(cè)
