开关电源中浪涌尖峰电压的处理措施

熊昶智 游冬

摘  要：电子设备供电环境也越来越复杂，浪涌尖峰电压在开关电源中也越来越常见。在系统供电设计时，需着重考虑开关电源的抗浪涌尖峰电压能力。本文专门讨论开关电源中浪涌尖峰电压的处理措施，希望能为提高开关电源的安全性、可靠性提供一些设计思路。

关键词：开关电源;浪涌尖峰电压;处理措施

引言

浪涌尖峰电压是指超过正常供电范围的瞬时过电压，在多个标准中均对浪涌尖峰电压要求进行相应规定，如GJB151B-2013和HB6167.24中均对不同应用环境提出了不同的抗浪涌尖峰电压要求。因此，能否有效提升开关电源对浪涌尖峰电压的防范能力，是提高开关电源环境适应性、安全性、可靠性的关键。

一、浪涌电压的基本要素

浪涌尖峰电压是开关电源当中的一种常见现象。HB6167.24《雷电感应瞬态敏感度试验》中规定，由雷电感应产生的浪涌电压可分为5个电平等级，其中，电压峰值最高可达3200V，电流峰值最高可达5000A，持续时间最长可达500μs以上。同样，GJB151B-2013中也规定了供电系统中形成的浪涌尖峰电压试验波形，具体波形如下图所示。

VPeak=400V;tr= 1.5±0.5μs;tf= 3.5±0.5μs;td= 5.0μs±22%;

Vsag≤120 V;tsag≤20μs。

由上述标准可知，浪涌电压峰值最高可达几千伏，持续时间通常为几微秒到几百微秒之间，具有电压峰值高、持续时间短的特点。

二、浪涌尖峰电压的形成原因

浪涌尖峰电压产生的原因主要有两个：

一个是雷电，主要通过两个渠道对电子设备产生影响。一是雷电直接击中设备上的避雷针，产生的瞬变电磁场，对金属回路产生压电流或电动势。二是雷电对线路附近的大地放电，由电磁感应产生雷电冲击或浪涌尖峰电压，并沿着线路入侵到与之相连的电子设备。

另一个是供电系统上大型负荷通断时产生的。通常供电系统中存在寄生电感或滤波电感，当大型负荷接通或断开时，会导致流过电感上的电流急剧变化，产生阻碍电流变化的反向电动势，形成尖峰电压，其峰值大小主要与电流突变的速率和电感量大小相关。

三、浪涌电压的处理措施

开关电源通常具有较宽的输入电压，对输入电压的容差范围较大，同时根据浪涌尖峰电压峰值高，持续时间短的特点，通常采用能量吸收型方案对浪涌尖峰电压进行滤除，即采用能量吸收型器件对浪涌能量进行吸收，实现电压钳位，保护后级电路的目的。目前，常用的能量吸收型元器件主要有：气体放电管、压敏电阻、TVS管。

（一）气体放电管

其工作原理为：当两极电压足够大时，极间间隙击穿放电，由绝缘状态转换为导电状态，将两极间的电压钳位至一个低压范围内，一般在20V～50V之间。其优点是通流量较大;绝缘电阻高;极间电容小。并接在线路上基本不会对主回路造成影响。其缺点是体积较大;响应时间慢，通常为几百纳秒到几微秒之间;寿命相对较短，长时间使用后存在维护及更换的问题。

在电路设计时，除了关注气体放电管的直流击穿电压、冲击击穿电压、通流容量等参数外，其续流遮断也是一个重点考虑因素。如前所述，气体放电管在续流状态下的电压一般为20V～50V之间，不能直接应用于大于15V的供电线上。

（二）压敏电阻

其工作原理是利用压敏电阻的非线性特征，当电压尖峰出现在压敏电阻的两端时，压敏电阻将通过改变阻值，将电压钳位至相对固定的电压值，实现对后级电路的保护。

压敏电阻的响应时间为纳秒级，比空气放电管快，比TVS管稍慢;通流量较大，通常比气体放电管小，比TVS管大;压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的数量级范围，不宜直接应用在高频线路中，同时，较大的结电容也会增大漏电流，在交流防护中，需对漏电流进行充分考虑。压敏电阻也存在寿命较短的缺陷，长时间使用后存在维护更换的问题。

（三）TVS管

TVS管属于限压型器件，作用与压敏电阻类似，同样是利用器件的非线性特征将过电压钳位到一个较低的电压值。其主要参数有：反向击穿電压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容、响应时间。

TVS管的响应时间通常为ps级，是限压型器件中最快的。TVS管的结电容根据制造工艺的不同，大体上可分为两类：高结电容型TVS管，一般在几百pF～几千pF;低结电容型TVS管，一般为几pF～几十pF。在高频线路中，为避免信号失真，需选用低结电容的TVS管。

TVS管的非线性特性比压敏电阻好，当通过TVS管的电流增大时，TVS管的钳位电压上升速度比压敏电阻慢，可获得比压敏电阻更理想的残压输出。在精细保护电路中，应用TVS管是比较好的选择。TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的，一般用于最末级的精细保护。TVS管可灵活选用单向或双向保护器件，在单极性的电路中，选用单向TVS管可以获得较低的残压。

在抗浪涌尖峰电压设计时，首先需对设备所需承受的浪涌尖峰电压所具备的能量大小进行分析;再根据设备能承受的最大工作电压，对输入电压的容差进行分析;最后根据上述分析结果选择一个合适的电压钳位点及相应的能量吸收性器件进行电路设计。通常，设备所承受的浪涌尖峰电压能量较低（电压峰值≤600V，持续时间≤10us）的电路可采用压敏电阻或TVS管进行单独设计;浪涌尖峰电压能量较高的电路，需采用气体放电管、压敏电阻、TVS管进行组合使用。在多种能量吸收型器件进行组合设计时，为避免器件之间响应时差导致防护电路损坏的情况发生，可在主回路中串入空心电感，调整不同器件之间的响应时间。

在进行开关电源抗浪涌尖峰电压设计时，需注意的因素较多，主要有以下几个方面：

1、残压水平应能保护后级电路免受损坏;

2、具有足够快的动作响应速度，尽早动作限压和旁路泄流;

3、在设备的最高工作电压时不应动作，且留有一定余量;

4、不应给设备的安全运行带来隐患。如，能量吸收型器件的失效模式大多是短路模式，需串入熔断丝进行保护;

5、在多种能量吸收型器件进行组合设计时，应注意各级防护器件间的良好配合，避免后级防护电路先于前一级防护电路动作的情况。

结束语

开关电源以其独特的优势，在我国得到了较广泛的运用。在开关电源实际应用中，不可避免地存在浪涌尖峰电压的状况。对此，需要在开关电源的输入端设置相应防护电路，提高开关电源的安全性和稳定性。

参考文献：

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