雷擊不僅是一種常見的物理現(xiàn)象，也是電源適配器的主要電壓應(yīng)力來源。如果保護(hù)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致電源損壞或重新啟動(dòng)，從而影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，電源適配器應(yīng)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)定義的雷電電壓等級(jí)要求。本期我們將分享雷擊浪涌標(biāo)準(zhǔn)、雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)配置、差模和共模干擾路徑分析和設(shè)計(jì)原則。
雷擊浪涌標(biāo)準(zhǔn)
IEC61000-4-5是常用的雷擊浪涌測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其定義和實(shí)驗(yàn)程序如下：
一般來說，在交流線上應(yīng)用±1kV~±6kV浪涌電壓。試驗(yàn)源是測(cè)試設(shè)備（EUT）交流線路與系統(tǒng)外殼的接地點(diǎn)。在測(cè)試過程中，EUT直接暴露在浪涌能量下，必須完好無損，雷擊試驗(yàn)完成后，仍能繼續(xù)正常工作。
雷擊浪涌試驗(yàn)的配置
圖3.差模雷擊示意圖
圖4.共模雷擊示意圖
雷擊浪涌發(fā)生器中有兩個(gè)模塊，即解耦網(wǎng)絡(luò)和耦合網(wǎng)絡(luò)。解耦網(wǎng)絡(luò)的功能是將耦合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于EUT相線上的雷擊能量與電源的相線隔離。耦合網(wǎng)絡(luò)的作用是通過耦合電容將理想的雷擊波應(yīng)用到理想的雷擊波上EUT的相線上。
如圖3所示:差模雷擊的耦合能量EUT的相線L和N它們之間的傳遞。通過圖4，可以發(fā)現(xiàn)共模雷擊的耦合能量EUT的相線L（N）和PE之間傳遞。
圖5.差模雷擊電流示意圖
由于不同的實(shí)際電路配置會(huì)對(duì)系統(tǒng)差模雷擊分析產(chǎn)生不同的影響，所以我們簡(jiǎn)要分析一下上圖電路對(duì)差模雷擊的影響。
通過耦合網(wǎng)絡(luò)輸入差模雷擊能量EUT的相線L和N，保險(xiǎn)絲F1，和壓敏MOV1形成回路1，產(chǎn)生差模電流1；
通過回路1衰減差模雷擊能量后，通過熱敏電阻RT1、整流橋、電解電容EC1形成回路2，產(chǎn)生差模電流2；
通過回路1和2衰減差模雷擊能量后，通過差模電感L1，電解電容EC2形成回路3，產(chǎn)生差模電流3。
設(shè)計(jì)原則
MOV1的加入可以設(shè)計(jì)原則吸收差模電流1的能量，保護(hù)整流橋BD1和電解電容EC1和EC2.由于電路電流較大，回路1相當(dāng)于雷擊浪涌能量的第一道防洪壩，PCB建議0銅箔寬度.5mm/kV;
負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻RT1的加入可以分享差模電流2EC保護(hù)整流橋上的能量BD1和電解電容EC1、回路2相當(dāng)于第二道防洪壩；
輸入差分模電感器的阻抗可以共享差分模電流3EC2上的能量，回路3相當(dāng)于第三道防洪壩，因?yàn)镋C2上面有幾百伏擊能量殘余壓力，因此建議原側(cè)功率管采用高雪崩耐量功率MOSFET。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于PN8390的12V1.5A適配器，4kV（90°）差模雷擊試驗(yàn)如下圖所示：
圖6.4kV差模雷擊測(cè)試波形圖
可見測(cè)試波形：EC1最高電壓756V，EC2最高電壓556V，PN8390最高電壓779V。因此，為了提高電源適配器的抗差模雷擊能力，除了合理選擇MOV和NTC除電阻外，還應(yīng)選擇高鋁箔電壓電解電容和高雪崩電阻功率MOSFET。
共模干擾路徑分析和設(shè)計(jì)原則
圖7.雷擊共模電流流向圖
當(dāng)發(fā)生共模雷擊時(shí)，兩個(gè)主要的共模電流路徑(以負(fù)電壓為例)：
共模電流1:雷擊能量應(yīng)用于輸出的地方，通過輸出共模電感→次級(jí)參考地→CY1→正輸入電解電容→整流橋→輸入共模電感→L線或N線。
共模電流2:雷擊能量應(yīng)用于輸出地，通過輸出共模電感→次級(jí)參考地→正輸出電解→變壓器→地面輔助繞組→負(fù)輸入電解電容→整流橋→輸入共模電感→L線或N線。
設(shè)計(jì)原則考慮共模電流路徑因素，優(yōu)化共模電流路徑因素PCB接線：輸入共模和Y電容增加放電針，輸入電解電容負(fù)極分別連接到原控制器地面和變壓器地面，輸出電解電容負(fù)極分別連接到同步整流芯片地面和Y電容地面；
為防止同步整流芯片干擾共模電流，優(yōu)先選擇雙供電同步整流芯片，如PN8309H，并在Vin腳串聯(lián)10~22Ω電阻；
為防止共模電流干擾原主控芯片，應(yīng)在Vdd電源電路串聯(lián)電阻，將Vdd電解電容靠近芯片引腳，增加100個(gè)nF去耦電容。
基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果PN8309H的12V3A適配器6.6kV共模雷擊試驗(yàn)如下圖所示：
圖8.6.6kV共模雷擊測(cè)試波形圖
可以看到雷擊浪涌測(cè)試波形，PN8309H的SW，Vin，Vcc電壓分別為161V，25V，19V。因此，為了提高電源適配器的抗共模雷擊能力，除了合理Layout除了增加濾波電容外，還優(yōu)先考慮雙供電和集成高雪崩耐量MOSFET同步整流芯片。
電源防雷能力設(shè)計(jì)是困擾許多電源工程師的難題之一。設(shè)計(jì)原則是合理的PCB布線，加上更好的設(shè)備選擇。一旦發(fā)生雷擊失敗，就需要結(jié)合原理分析和器件特性，找出根本原因并加以改進(jìn)。
推薦型號(hào)：
雷擊/浪涌發(fā)生器
CWG 520: 3x400V / 16A
CWG 1500: 1.2/50 μs_8/20μs / 4.4kV
CWG 2500: 1.2/50 μs_8/20μs / 4.4kV / 觸摸屏
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