1、2014.10.目錄一、雷擊浪涌危害簡介二、雷擊對電子通訊設備的影響三、常用雷擊防護方案及元件四、雷擊浪涌防護新方案設計五、新方案測試報告六、雷擊浪涌防護新方案的應用七、討論一、雷擊浪涌危害簡介 雷擊浪涌基本概念雷擊浪涌基本概念 雷擊浪涌危害表現形式雷擊浪涌危害表現形式 雷擊危害的防護雷擊危害的防護 電子設備的防護重點電子設備的防護重點 一、雷擊浪涌危害簡介 雷擊浪涌基本概念雷擊浪涌基本概念 雷電是自然界所發生的云間或云地間的高電壓、大電流放電現象，往往伴隨著巨大的能量釋放，當該放電對建筑、設備、甚至人身安全產生嚴重影響時，就形成雷擊浪涌危害。 每次雷擊往往是一個串行序列，由多次放電構成，但一

2、般遵循能量遞減規律，放電時間幾十到幾百微秒，放電間隔在幾毫秒到上百毫秒范圍，首次放電最強烈； 隨著電子設備向集成化、小型化、智能化、網絡化、在線待機功能等方向的發展，雷擊危害的威脅表現得越來越嚴重； 雷電的形成與氣候、地形地貌、建筑等相關，有明顯的區域和季節特點，當前建筑防雷規范的建立及實施遠遠落后于形勢的要求。 一、雷擊浪涌危害簡介雷擊浪涌危害的表現形式雷擊浪涌危害的表現形式 直擊雷直擊雷：放電直接作用于保護目標，使其成為放電端或放電通道的一部分； 間接雷間接雷：放電電流并不直接通過保護目標，但雷擊過程產生的高壓、漏電流、地電位反擊、耦合能量等會對保護目標產生影響；感應雷感應雷：主要是放電時

3、產生的空間電磁場變化通過耦合方式在保護目標內產生高壓或大電流沖擊。云間放電也可能對保護目標產生感應雷擊，大大增加了威脅范圍和程度；云間放電也可能對保護目標產生感應雷擊，大大增加了威脅范圍和程度；次生危害次生危害：火災、次聲波、沖擊波、機械結構損害等。 感應雷強度不僅與放電強度相關，與距離、方向、耦合回路狀態關系也很大。感應雷強度不僅與放電強度相關，與距離、方向、耦合回路狀態關系也很大。 據測算，據測算，400400米高空米高空100KA100KA云間放電，在云間放電，在500500米長架空明線上可產生米長架空明線上可產生2KV2KV的線間感應沖擊；的線間感應沖擊； 對于網絡應用來說，感應雷擊的

4、威脅更為顯著。對于網絡應用來說，感應雷擊的威脅更為顯著。一、雷擊浪涌危害簡介 雷擊危害的防護雷擊危害的防護 建筑防護：避雷/引雷系統，盡可能將雷擊電流引入大地 一級防護： 初級SPD，建筑入口保護 二級防護： 次級SPD，用戶入戶保護 三級防護： 三級SPD，設備端口防護 一級防護必須考慮到建筑內的各種安全，例如易燃易爆物品、人身安全等，一般要求一級防護必須考慮到建筑內的各種安全，例如易燃易爆物品、人身安全等，一般要求100KA10/350us100KA10/350us以上的防護等級以上的防護等級 對于電子設備的三級防護來說，主要是保證設備自身的安全，要求可以比一、二級防護適對于電子設備的三級

5、防護來說，主要是保證設備自身的安全，要求可以比一、二級防護適當降低，但從實際使用經驗來看，在雷擊頻發地區，國標當降低，但從實際使用經驗來看，在雷擊頻發地區，國標GT17626.5GT17626.5所定義的所定義的4KV4KV（2KA2KA）偏）偏低，保護能力不足。低，保護能力不足。 普通用戶很少具備完善的雷擊防護系統，一般僅具備建筑防護，少量具備一級防護，極個普通用戶很少具備完善的雷擊防護系統，一般僅具備建筑防護，少量具備一級防護，極個別采用了二級防護。別采用了二級防護。二、雷擊對電子通訊設備的影響 雷擊對電子通訊設備的威脅雷擊對電子通訊設備的威脅 雷擊信號的饋入方式雷擊信號的饋入方式 雷擊信

6、號的關鍵影響雷擊信號的關鍵影響二、雷擊對電子通訊設備的影響雷擊對電子通訊設備的威脅雷擊對電子通訊設備的威脅目前的電子通訊設備應用主要依托于網絡網絡應用所構成的電氣互連更容易耦合并引入雷擊信號電子設備的小型化、低功率化使其浪涌耐受能力下降雷擊所導致的設備軟、硬故障給運營帶來嚴重問題電子設備防雷相關標準嚴重滯后于網絡應用所提出的需求 典型事例之一：國內某知名通訊設備公司早期出口南美的通訊設備，就因其高密度、典型事例之一：國內某知名通訊設備公司早期出口南美的通訊設備，就因其高密度、大能量、大范圍的雷擊導致極高的故障率，最后不得不對設備防雷方面的企業標準大能量、大范圍的雷擊導致極高的故障率，最后不得不

7、對設備防雷方面的企業標準進行修訂并在設備上增加額外的防雷措施。進行修訂并在設備上增加額外的防雷措施。 典型事例之二：國內某地廣電數字化改造所采購的某廠商機頂盒，在舊城區推廣時，典型事例之二：國內某地廣電數字化改造所采購的某廠商機頂盒，在舊城區推廣時，保修期內的設備損壞率超過保修期內的設備損壞率超過6060，主要也是由于雷擊影響造成。，主要也是由于雷擊影響造成。二、雷擊對電子通訊設備的影響雷擊信號的饋入方式 電源母線饋入 信號線纜饋入 保護接地饋入 根據經驗，對于網絡應用來說，電源母線饋入是威脅最大的雷擊信號引入方根據經驗，對于網絡應用來說，電源母線饋入是威脅最大的雷擊信號引入方式，特別是在架空

8、明線供電的場合。主要是由于架空線纜距離長、回路面積式，特別是在架空明線供電的場合。主要是由于架空線纜距離長、回路面積大，因此容易耦合高強度的雷擊信號；其次就是電力線纜寄生阻抗小，大部大，因此容易耦合高強度的雷擊信號；其次就是電力線纜寄生阻抗小，大部分耦合雷擊功率都要通過負載設備消耗，因此設備受到的威脅也就最大。分耦合雷擊功率都要通過負載設備消耗，因此設備受到的威脅也就最大。 對于光纖接入，基本上不存在信號線纜饋入和保護地饋入問題。對于分配端對于光纖接入，基本上不存在信號線纜饋入和保護地饋入問題。對于分配端輸出，由于采用了屏蔽線纜，并且傳輸距離比較短，因此耦合信號相對小很輸出，由于采用了屏蔽線纜

9、，并且傳輸距離比較短，因此耦合信號相對小很多。多。 因此，對于接入網或分配網應用，防雷措施主應要針對電源母線。因此，對于接入網或分配網應用，防雷措施主應要針對電源母線。二、典型雷擊防護方案 電子設備典型的雷擊電子設備典型的雷擊 保護方案保護方案 常用保護元件及特點常用保護元件及特點 典型保護方案的特點典型保護方案的特點 三、典型雷擊防護方案 典型電源端口保護電路：典型電源端口保護電路：三個壓敏電阻VDR，一個氣體放電管GDT（Voltage Dependent Resistor） （Gas Discharge Tube) ： GDTGDT作用：一是保護地浮動，造成火地、零地電壓離散大，作用：一

10、是保護地浮動，造成火地、零地電壓離散大，VDRVDR漏電不可預期漏電不可預期 二是滿足高壓測試的要求，避免高壓測試漏電流超標二是滿足高壓測試的要求，避免高壓測試漏電流超標 該該GDTGDT規格要求比較高，導致其成本相對來說比較高規格要求比較高，導致其成本相對來說比較高 部分場合，部分場合，GDTGDT被省略，火被省略，火/ /零線直接通過壓敏電阻到保護地，可靠性？零線直接通過壓敏電阻到保護地，可靠性？三、典型雷擊防護方案改善的電源端口保護電路：改善的電源端口保護電路： 與典型方案相比，增加隔離電感L和第二級VDR 隔離電感的存在，抑制了沖擊輸入時，向第二級灌入的電流隔離電感的存在，抑制了沖擊輸

11、入時，向第二級灌入的電流 第二級第二級VDRVDR電流較低，可獲得更低的箝位電壓電流較低，可獲得更低的箝位電壓 隔離電感的電感量一般在隔離電感的電感量一般在5 515uH15uH三、典型雷擊防護方案 典型方案及改善方案說明典型方案及改善方案說明 共模防護由共模防護由MOVMOVGDTGDT網絡實現；差模防護由獨立的網絡實現；差模防護由獨立的MOVMOV實現實現 問題：問題： 差模防護MOV的殘壓和漏電流是個突出矛盾 控制殘壓必須降低MOV耐壓 MOV耐壓降低則漏電流增加，影響壽命和可靠性 MOVMOV耐壓參數離散性耐壓參數離散性10102020，對于，對于470V470V器件，可能其器件，可能

12、其VvVv（1mA1mA）只有）只有370V370V； 因此設計選型時的安全余量必須放得足夠寬。因此設計選型時的安全余量必須放得足夠寬。 470V470V的的MOVMOV在在1KA1KA電流時的殘壓大約在電流時的殘壓大約在1KV1KV，2KA2KA時大約時大約1.2KV1.2KV； 560V560V的的MOVMOV在在1KA1KA電流時的殘壓大約在電流時的殘壓大約在1.3KV1.3KV，2KA2KA時則大約時則大約1.5KV1.5KV； 1KV1KV以上的殘壓對于小功率設備，威脅尤其嚴重！以上的殘壓對于小功率設備，威脅尤其嚴重！ 高殘壓導致瞬間功耗增大，對于防雷元件本身的可靠性不利高殘壓導致瞬

13、間功耗增大，對于防雷元件本身的可靠性不利 某廠商設計的某廠商設計的20W20W交換機電源模塊，根據客戶要求采用單級交換機電源模塊，根據客戶要求采用單級20D561 MOV20D561 MOV保護，保護， 4KV4KV測試時殘壓測試時殘壓1500V1500V，循環試驗時整流濾波電容，循環試驗時整流濾波電容(47uF/400V)(47uF/400V)發生多次爆漿故障。發生多次爆漿故障。三、典型雷擊防護方案 常用雷擊防護元件之壓敏電阻常用雷擊防護元件之壓敏電阻 特性：特性： 低壓高阻抗，高壓阻抗急劇降低 可承受 千安級電流 標稱耐壓值以1mA漏電流為參考 反應速度快 成本比較低 缺點：缺點： 殘壓比

14、較高，尤其是電流較大時 高殘壓導致器件沖擊功耗非常大 參數離散大，尤其是長期工作后 低耐壓參數時，漏電流相對比較大 漏電流引起的老化，參數退化嚴重 三、典型雷擊防護方案 常用防護元件之氣體放電管常用防護元件之氣體放電管 特點特點 觸發型元件，觸發前完全開路，觸發后近似短路 放電電流容量可以達到5KA、10KA量級 沖擊耐壓要遠高于直流耐壓，差額范圍5001000V 阻抗高、電容小，無漏電流問題 缺點缺點 沖擊觸發需要時間200500ns 浪涌保護為沖擊觸發模式，電壓高 極限參數下的壽命短，10次左右 必須提供續流限制設計，避免危險三、典型雷擊防護方案 常用防護元件之常用防護元件之TVS、TSS

15、 TVSTVS、TSSTSS都是半導體工藝元件，寄生效應小，動作快都是半導體工藝元件，寄生效應小，動作快 體積小，容量低，通常應用在信號端口保護場合體積小，容量低，通常應用在信號端口保護場合 TVS TVS： 電壓箝位元件，導通特性類似于箝位二極管 適用于靜電防護場合 TSS TSS： 電壓觸發短路元件，導通特性類似于可控硅 電流容量最大可達到百安量級 適用于信號端口的浪涌防護場合三、典型雷擊防護方案常用防護元件之玻璃放電管常用防護元件之玻璃放電管特點特點 氣體放電管和半導體技術相結合的產物 耐電壓/電流指標相對較高（電壓最高5KV，沖擊電流最大3KA） 寄生效應小、動作速度快 缺點缺點 器件

16、體積小，能量吸收能力差 缺乏通用產品標準 關鍵參數離散性大 可靠性一般三、典型雷擊防護方案典型雷擊防護電路的改善典型雷擊防護電路的改善 對于殘壓控制而言，最常見的改善方法是采用兩級箝位保護對于殘壓控制而言，最常見的改善方法是采用兩級箝位保護 放電電流主要通過初級泄放，次級電流比較小，可以降低次級殘壓。 在兩級保護之間串接10米左右的線纜或819uH的電感； 可將殘壓降低至可將殘壓降低至1KV1KV左右，但漏電流風險依舊存在。左右，但漏電流風險依舊存在。 另一個改善方案是壓敏電阻串聯放電間隙，可減小漏電流老化威脅另一個改善方案是壓敏電阻串聯放電間隙，可減小漏電流老化威脅 放電間隙提高了擊穿電壓，

17、且擊穿參數受環境影響離散性很大放電間隙提高了擊穿電壓，且擊穿參數受環境影響離散性很大 （據稱LG 的液晶TV采用了此方案） 為應付安規要求，常見的解決方法是壓敏電阻串聯慢熔保險絲為應付安規要求，常見的解決方法是壓敏電阻串聯慢熔保險絲 可避免壓敏電阻老化帶來的安全風險，但對于其老化的現實情況無改善可避免壓敏電阻老化帶來的安全風險，但對于其老化的現實情況無改善 保險絲的選型是一個問題，熔斷能量(It)與電流限額需要折中四、雷擊浪涌防護新方案設計 設計目標 方案原理 方案特點四、雷擊浪涌防護新方案設計 設計目標設計目標 主要針對高可靠防雷應用主要針對高可靠防雷應用 高可靠高可靠大電流、低殘壓、快速反

18、應大電流、低殘壓、快速反應 盡可能減少對負載設備的影響盡可能減少對負載設備的影響 不斷電、不停機 降低老化失效風險降低老化失效風險 減少漏電流威脅和續流風險 擴展浪涌波形適應性擴展浪涌波形適應性通用性通用性可適用于更寬范圍的負載設備，尤其是小功率負載可適用于更寬范圍的負載設備，尤其是小功率負載 數碼及通訊設備 可適用于多種應用場合，電源模塊、線纜、插座可適用于多種應用場合，電源模塊、線纜、插座適用性適用性結構與空間占用小結構與空間占用小 成本可控成本可控 工藝性好工藝性好 四、雷擊浪涌防護新方案設計 方案結構：方案結構： 共模保護采用3000VGDT通用方案 前端采用MOV+GDT作為初級差分

19、防護 后端采用ASICMOV作為次級差分防護 L/N線上串聯自感變壓器方案原理：方案原理： 自感變壓器產生的高壓觸發初、次級啟動 ASIC主要保證觸發信號的可靠性、觸發信號的時序控制及限流 差分GDT的存在避免漏電老化威脅 ASIC保證在多個保護單元并聯時，有足夠多的單元同時動作 FUSE上所通過的沖擊電流占比很小四、雷擊浪涌防護新方案設計 原理框圖 四、雷擊浪涌防護新方案設計新方案特點：新方案特點：高可靠性，解決了目前常用防雷方案的各種問題高可靠性，解決了目前常用防雷方案的各種問題 耐沖擊極限參數高； 動作快，殘壓低； 沖擊波形適應性強，尤其是針對緩變沖擊； 無老化風險，無器件漏電發熱風險；

20、 負載設備供電不受影響 電路結構獨立，與負載設備類型基本無關電路結構獨立，與負載設備類型基本無關 模塊化結構，可適用于多種應用場合模塊化結構，可適用于多種應用場合 五、新方案測試報告測試地點：DQE實驗室 測試設備：15KV浪涌信號發生器 TEK示波器 測試負載：300W PC電源、120W Adapter 測試信號： 1.2/50us 電壓波形，差分模式 4KV、6KV、8KV、14KV 測試樣品： SP2102 V1.0A 五、新方案測試報告4KV測試測試 輸出波形輸出波形120W PC電源作為負載電源作為負載 殘壓385V，寬度30us 尖沖505V，寬度3us 后續一個大約2.8ms振

21、鈴 為測試設備LC回路產生 振鈴正負峰值同樣被箝位 振鈴后電源輸出波形正常 GDT放電聲音細微五、新方案測試報告8KV測試測試 輸出波形輸出波形120W PC 120W PC 電源作為負載電源作為負載 殘壓400V，寬度30us 尖沖505V，寬度3us 后續一個大約2.8ms振鈴 為測試設備LC回路產生 振鈴后電源輸出波形正常振鈴正負峰值同樣被箝位 GDT放電和緩五、新方案測試報告 16KV 測試輸出波形測試輸出波形 120W PC120W PC電源作為負載電源作為負載 殘壓420V，寬度30us 尖沖505V，寬度3us 后續一個大約2.8ms振鈴 為測試設備LC回路產生 振鈴后電源輸出正常振鈴正負峰值同樣被箝位 GDT放電相對和緩 五、新方案測試報告測試結論：測試結論： 1. 施加沖擊信號，當輸出達到500V左右時，保護啟動； 2. 保護啟動后，殘壓被限制在385550V之間，具體值與沖擊電壓相關； 3. 對于1.2/50us沖擊波形，殘壓脈沖寬度基本固定在30-40us左右； 4. 對于測試設備LC網絡帶來的輸入振鈴波動，同樣起到箝位作用； 5. 保護啟動不影響正常電源波形的輸出，可以保證輸入的連續性； 6. 4KV16K