雷击危害与防护新方案介绍

雷击危害与防护新方案介绍第一页，共34页。目录一、雷击浪涌危害简介二、雷击对电子通讯设备的影响三、常用雷击防护方案及元件四、雷击浪涌防护新方案设计五、新方案测试报告六、雷击浪涌防护新方案的应用七、讨论第二页，共34页。一、雷击浪涌危害简介雷击浪涌基本概念

雷击浪涌危害表现形式

雷击危害的防护

电子设备的防护重点

第三页，共34页。一、雷击浪涌危害简介

雷击浪涌基本概念

雷电是自然界所发生的云间或云地间的高电压、大电流放电现象，往往伴随着巨大的能量释放，当该放电对建筑、设备、甚至人身安全产生严重影响时，就形成雷击浪涌危害。

每次雷击往往是一个串行序列，由多次放电构成，但一般遵循能量递减规律，放电时间几十到几百微秒，放电间隔在几毫秒到上百毫秒范围，首次放电最强烈；

随着电子设备向集成化、小型化、智能化、网络化、在线待机功能等方向的发展，雷击危害的威胁表现得越来越严重；

雷电的形成与气候、地形地貌、建筑等相关，有明显的区域和季节特点，当前建筑防雷规范的建立及实施远远落后于形势的要求。

第四页，共34页。一、雷击浪涌危害简介雷击浪涌危害的表现形式

直击雷：放电直接作用于保护目标，使其成为放电端或放电通道的一部分；

间接雷：放电电流并不直接通过保护目标，但雷击过程产生的高压、漏电流、地电位反击、耦合能量等会对保护目标产生影响；感应雷：主要是放电时产生的空间电磁场变化通过耦合方式在保护目标内产生高压或大电流冲击。云间放电也可能对保护目标产生感应雷击，大大增加了威胁范围和程度；次生危害：火灾、次声波、冲击波、机械结构损害等。

感应雷强度不仅与放电强度相关，与距离、方向、耦合回路状态关系也很大。

据测算，400米高空100KA云间放电，在500米长架空明线上可产生2KV的线间感应冲击；

对于网络应用来说，感应雷击的威胁更为显著。第五页，共34页。一、雷击浪涌危害简介

雷击危害的防护

建筑防护：避雷/引雷系统，尽可能将雷击电流引入大地

一级防护：初级SPD，建筑入口保护

二级防护：次级SPD，用户入户保护

三级防护：三级SPD，设备端口防护

一级防护必须考虑到建筑内的各种安全，例如易燃易爆物品、人身安全等，一般要求100KA@10/350us以上的防护等级

对于电子设备的三级防护来说，主要是保证设备自身的安全，要求可以比一、二级防护适当降低，但从实际使用经验来看，在雷击频发地区，国标GT17626.5所定义的4KV（2KA）偏低，保护能力不足。

普通用户很少具备完善的雷击防护系统，一般仅具备建筑防护，少量具备一级防护，极个别采用了二级防护。第六页，共34页。二、雷击对电子通讯设备的影响

雷击对电子通讯设备的威胁

雷击信号的馈入方式

雷击信号的关键影响第七页，共34页。二、雷击对电子通讯设备的影响雷击对电子通讯设备的威胁目前的电子通讯设备应用主要依托于网络网络应用所构成的电气互连更容易耦合并引入雷击信号电子设备的小型化、低功率化使其浪涌耐受能力下降雷击所导致的设备软、硬故障给运营带来严重问题电子设备防雷相关标准严重滞后于网络应用所提出的需求

典型事例之一：国内某知名通讯设备公司早期出口南美的通讯设备，就因其高密度、大能量、大范围的雷击导致极高的故障率，最后不得不对设备防雷方面的企业标准进行修订并在设备上增加额外的防雷措施。

典型事例之二：国内某地广电数字化改造所采购的某厂商机顶盒，在旧城区推广时，保修期内的设备损坏率超过60％，主要也是由于雷击影响造成。第八页，共34页。二、雷击对电子通讯设备的影响雷击信号的馈入方式

电源母线馈入

信号线缆馈入

保护接地馈入

根据经验，对于网络应用来说，电源母线馈入是威胁最大的雷击信号引入方式，特别是在架空明线供电的场合。主要是由于架空线缆距离长、回路面积大，因此容易耦合高强度的雷击信号；其次就是电力线缆寄生阻抗小，大部分耦合雷击功率都要通过负载设备消耗，因此设备受到的威胁也就最大。

对于光纤接入，基本上不存在信号线缆馈入和保护地馈入问题。对于分配端输出，由于采用了屏蔽线缆，并且传输距离比较短，因此耦合信号相对小很多。

——因此，对于接入网或分配网应用，防雷措施主应要针对电源母线。第九页，共34页。二、典型雷击防护方案

电子设备典型的雷击

保护方案

常用保护元件及特点

典型保护方案的特点

第十页，共34页。三、典型雷击防护方案

典型电源端口保护电路：

三个压敏电阻VDR，一个气体放电管GDT

（VoltageDependentResistor）

（GasDischargeTube)

☆：GDT作用：一是保护地浮动，造成火地、零地电压离散大，VDR漏电不可预期

二是满足高压测试的要求，避免高压测试漏电流超标

该GDT规格要求比较高，导致其成本相对来说比较高

部分场合，GDT被省略，火/零线直接通过压敏电阻到保护地，可靠性？第十一页，共34页。三、典型雷击防护方案改善的电源端口保护电路：

与典型方案相比，增加隔离电感L和第二级VDR

隔离电感的存在，抑制了冲击输入时，向第二级灌入的电流

第二级VDR电流较低，可获得更低的箝位电压

隔离电感的电感量一般在5－15uH第十二页，共34页。三、典型雷击防护方案

典型方案及改善方案说明

共模防护由MOV＋GDT网络实现；差模防护由独立的MOV实现

问题：

差模防护MOV的残压和漏电流是个突出矛盾 ——控制残压必须降低MOV耐压 ——MOV耐压降低则漏电流增加，影响寿命和可靠性

MOV耐压参数离散性10－20％，对于470V器件，可能其Vv（1mA）只有370V； ——因此设计选型时的安全余量必须放得足够宽。

470V的MOV在1KA电流时的残压大约在1KV，2KA时大约1.2KV； 560V的MOV在1KA电流时的残压大约在1.3KV，2KA时则大约1.5KV；

——1KV以上的残压对于小功率设备，威胁尤其严重！ ——高残压导致瞬间功耗增大，对于防雷元件本身的可靠性不利

某厂商设计的20W交换机电源模块，根据客户要求采用单级20D561MOV保护， 4KV测试时残压1500V，循环试验时整流滤波电容(47uF/400V)发生多次爆浆故障。第十三页，共34页。三、典型雷击防护方案

常用雷击防护元件之压敏电阻

特性：

低压高阻抗，高压阻抗急剧降低

可承受千安级电流

标称耐压值以1mA漏电流为参考

反应速度快

成本比较低

缺点：

残压比较高，尤其是电流较大时

高残压导致器件冲击功耗非常大

参数离散大，尤其是长期工作后

低耐压参数时，漏电流相对比较大

漏电流引起的老化，参数退化严重

第十四页，共34页。三、典型雷击防护方案

常用防护元件之气体放电管

特点

触发型元件，触发前完全开路，触发后近似短路

放电电流容量可以达到5KA、10KA量级

冲击耐压要远高于直流耐压，差额范围500－1000V

阻抗高、电容小，无漏电流问题

缺点

冲击触发需要时间200－500ns

浪涌保护为冲击触发模式，电压高

极限参数下的寿命短，10次左右

必须提供续流限制设计，避免危险第十五页，共34页。三、典型雷击防护方案

常用防护元件之TVS、TSS TVS、TSS都是半导体工艺元件，寄生效应小，动作快

体积小，容量低，通常应用在信号端口保护场合TVS：

电压箝位元件，导通特性类似于箝位二极管

适用于静电防护场合TSS：

电压触发短路元件，导通特性类似于可控硅

电流容量最大可达到百安量级

适用于信号端口的浪涌防护场合第十六页，共34页。三、典型雷击防护方案常用防护元件之玻璃放电管特点

气体放电管和半导体技术相结合的产物

耐电压/电流指标相对较高（电压最高5KV，冲击电流最大3KA）

寄生效应小、动作速度快

缺点

器件体积小，能量吸收能力差

缺乏通用产品标准

关键参数离散性大

可靠性一般第十七页，共34页。三、典型雷击防护方案典型雷击防护电路的改善

对于残压控制而言，最常见的改善方法是采用两级箝位保护

放电电流主要通过初级泄放，次级电流比较小，可以降低次级残压。

在两级保护之间串接10米左右的线缆或8－19uH的电感；

可将残压降低至1KV左右，但漏电流风险依旧存在。

另一个改善方案是压敏电阻串联放电间隙，可减小漏电流老化威胁

放电间隙提高了击穿电压，且击穿参数受环境影响离散性很大

（据称LG的液晶TV采用了此方案）

为应付安规要求，常见的解决方法是压敏电阻串联慢熔保险丝

可避免压敏电阻老化带来的安全风险，但对于其老化的现实情况无改善

保险丝的选型是一个问题，熔断能量(I^t)与电流限额需要折中第十八页，共34页。四、雷击浪涌防护新方案设计

设计目标

方案原理

方案特点第十九页，共34页。四、雷击浪涌防护新方案设计

设计目标

——主要针对高可靠防雷应用

高可靠

大电流、低残压、快速反应

尽可能减少对负载设备的影响

——不断电、不停机

降低老化失效风险

——减少漏电流威胁和续流风险

扩展浪涌波形适应性

通用性

可适用于更宽范围的负载设备，尤其是小功率负载

——数码及通讯设备

可适用于多种应用场合，电源模块、线缆、插座

适用性

结构与空间占用小

成本可控

工艺性好

第二十页，共34页。四、雷击浪涌防护新方案设计

方案结构：

共模保护采用3000VGDT通用方案

前端采用MOV+GDT作为初级差分防护

后端采用ASIC＋MOV作为次级差分防护 L/N线上串联自感变压器方案原理：

自感变压器产生的高压触发初、次级启动 ASIC主要保证触发信号的可靠性、触发信号的时序控制及限流

差分GDT的存在避免漏电老化威胁 ASIC保证在多个保护单元并联时，有足够多的单元同时动作 FUSE上所通过的冲击电流占比很小第二十一页，共34页。四、雷击浪涌防护新方案设计

原理框图

第二十二页，共34页。四、雷击浪涌防护新方案设计新方案特点：

高可靠性，解决了目前常用防雷方案的各种问题

耐冲击极限参数高；

动作快，残压低；

冲击波形适应性强，尤其是针对缓变冲击；

无老化风险，无器件漏电发热风险；

负载设备供电不受影响

电路结构独立，与负载设备类型基本无关

模块化结构，可适用于多种应用场合

第二十三页，共34页。五、新方案测试报告测试地点： DQE实验室

测试设备： 15KV浪涌信号发生器

TEK示波器

测试负载： 300WPC电源、120WAdapter

测试信号：1.2/50us电压波形，差分模式 4KV、6KV、8KV、14KV

测试样品：SP2102V1.0A

第二十四页，共34页。五、新方案测试报告4KV测试

输出波形120WPC电源作为负载

残压385V，宽度30us

尖冲505V，宽度3us

后续一个大约2.8ms振铃

为测试设备LC回路产生

振铃正负峰值同样被箝位

振铃后电源输出波形正常 GDT放电声音细微第二十五页，共34页。五、新方案测试报告8KV测试

输出波形120WPC电源作为负载

残压400V，宽度30us

尖冲505V，宽度3us

后续一个大约2.8ms振铃

为测试设备LC回路产生

振铃后电源输出波形正常

振铃正负峰值同样被箝位 GDT放电和缓第二十六页，共34页。五、新方案测试报告

16KV测试输出波形

120WPC电源作为负载

残压420V，宽度30us

尖冲505V，宽度3us

后续一个大约2.8ms振铃

为测试设备LC回路产生

振铃后电源输出正常

振铃正负峰值同样被箝位 GDT放电相对和缓

第二十七页，共34页。五、新方案测试报告测试结论：

1.施加冲击信号，当输出达到500V左右时，保护启动；2.保护启动后，残压被限制在385－550V之间，具体值与冲击电压相关；3.对于1.2/50us冲击波形，残压脉冲宽度基本固定在30-40us左右；

4.对于测试设备LC网络带来的输入振铃波动，同样起到箝位作用；5.保护启动不影响正常电源波形的输出，可以保证输入的连续性；6.4KV－16KV测试过程中，GDT放电相对平缓，无其它打火、崩片现象；7.极限保护参数和残压符合设计目标要求。第二十八页，共34页。六、新方案的应用实施

防雷防浪涌模块

防雷防浪涌电源

防雷防浪涌线缆

防雷防浪涌插座第二十九页，共34页。六、新方案的应用实施

防雷防浪涌模块

模块组件设计，可嵌入开关电源、电子产品内部