电器防雷滤波技术探讨

郭正铭，黄飞，王永峰，胡家祥

（1.四川省电子产品监督检验所，成都 610100 2.上海祥峰信息技术有限公司，上海 200235 3.总装重庆军代局驻一五七厂军代室，四川彭州 611930）

电器防雷滤波技术探讨

郭正铭1，黄飞1，王永峰2，胡家祥3

（1.四川省电子产品监督检验所，成都 610100 2.上海祥峰信息技术有限公司，上海 200235 3.总装重庆军代局驻一五七厂军代室，四川彭州 611930）

我国是雷电多发地区，在我们日常生活中电器经常会被雷电击坏或不能正常工作。本文就产品设计中我们常采用的一种既防雷又解决滤波的防雷滤波技术讨论，并加以验证。

电磁兼容；浪涌保护器；滤波；电磁干扰；电磁敏感度

前言

电子产品的发展及应用，给我们生活带来方便的同时也会给我们带来烦恼，因而人们越来越重视电磁兼容技术。电磁兼容包括电磁干扰和电磁敏感度。电磁兼容设计中常用方法是屏蔽、滤波和接地等。EMI滤波器是一个双向滤波器件，不仅可以滤除电网及设备流入其他的干扰信号，也可以滤除设备自身产生的流向电网及其他设备的干扰信号。浪涌保护器与EMI滤波结合是解决电磁兼容的一个好的方法，目前也是应用比较广泛的一种手段；既解决了产品受雷击对产品的损坏等，也抑制了产品的电磁干扰。此简称为防雷滤波，本文就如何实现防雷滤波技术展开讨论，并以实例论证。

1.雷方案所需要的元器件的介绍

1.1.关类防雷元器件：它包括陶瓷气体放电管、玻璃放电管、半导体过压保护器三种类型

1.1.1.类防雷元器件的工作原理:

正常工作时，开关元件是断开的；当遇到外界强雷击浪涌来的时候，开关元件导通，将浪涌电流泄放到大地，从而起到保护电子设备的作用。

1.1.2.类防雷元器件的优点是：击穿前相当于开路；击穿后相当于短路；脉冲峰值电流大;玻璃放电管和半导体过压保护器的响应速度都很快。

1.1.3.类防雷元器件的缺点是：

1) 陶瓷气体放电管：响应速度较慢,击穿电压一致性较差。

2) 玻璃放电管和半导体过压保护器： 脉冲峰值电流比陶瓷气体放电管小得多,玻璃放电管击穿电压分散性较大。

3) 半导体过压保护器电容较大。

1.1.4.了更好地保护电子设备,这类防雷元器件一定要接地良好,而且最好接地点要面积大些,要直接接到大地上，接地线越短越好。

1.2.压类防雷元器件，它主要有压敏电阻、TVS管等。

1.2.1.类防雷元器件的工作原理:当这类器件的外加电压小于其导通的电压时，它具有很大的内阻，类似断路；当外加电压大于其导通电压时，其内阻急剧减小，类似短路，从而保护电子设备。

1.2.2.类防雷元器件的优点：压敏电阻能承受更大的浪涌电流；TVS管的反应速度极快；TVS管不易老化，使用寿命长。

1.2.3.类防雷元器件的缺点:压敏电阻的漏电流较大;非线性特性较差,压敏电阻所能耐受的冲击电流的大小随冲击次数的增加而减小，较易老化;压敏电阻反应速度稍慢； TVS管限制电压较低。

1.2.4.于一些小功率的高电压转成低电压的DCDC开关电源,应该在DCDC电源的输出端增加一个TVS器件,而且要靠近DCDC输出端,这样可以起到保护后面电子设备免受大干扰. 如果DCDC电源输入端已经有了足够的防雷的措施,那DCDC电源前面可以不加TVS器件,如果DCDC前面没有足够的防雷措施,为了保险起见,可以在DCDC电源前面增加TVS器件。

2.波器

滤波器在产品的应用一般为阻抗变换，阻抗匹配，延迟信号，分离信号、抑制干扰等。但分离信号、抑制干扰是最广泛和最基本的应用，也是我们设计中常用的。常用滤波器有低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器等。我们常采用的EMI滤波器为组合型LC滤波器，如图1。

L1，L2，C1是滤除差模干扰的，C2，C3，L是滤除共模干扰的。在选择L1，L2线圈时注意磁饱和，如果在电流加大就使铁磁饱和，这样滤波效果大大降低。C1，C2，C3对滤波来说，电容量越大效果相对越好；但是它将会与电网阻抗变低，这样会导致漏电流加大，如果接地不好，会导致危险。

3.涌保护器

浪涌保护器电子产品雷击防护的一个重要装置。在防雷中利用其保护器的特性来吸收雷击时所产生的浪涌电压，或将电压限制在产品所能承受的电压范围，或将雷电流泄流入地，从而保护产品不受冲击而损坏或降低性能等。浪涌保护器至少包括一个非线性元件，它的组成器件主要包括放电间隙，压敏电阻，二极管，滤波器等。浪用保护器可以按照工作原理，用途等来分类。我们常用的是压敏电阻。压敏电阻是以氧化锌为主要成分的半导体非线性电阻。利用其当两端电压达到一定值时，其电阻对电压非常敏感的特性，即当电压高于一定值时，其电阻值迅速下降处于导通状态，甚至处于短路状态，从而使大电流流入地来保护产品不受冲击而损坏或降低性能等；当电压低于其工作电压时，压敏电阻值很高，几乎开路，不影响产品的正常工作。

浪涌保护器吸收浪涌能力强，反应速度也快，可以防止浪涌电压的冲击；但其可靠性较低，如果浪涌保护器损坏可能对产品的正常工作有影响，选择上一定要有经验。选择压敏电阻时高一点电压相应更安全、耐用、故障率低，但残余电压略高。

表1.用压敏电阻的压敏电压参数

常用压敏电阻的压敏电压参数，如表1。

根据压敏电阻的电压参数，在选择和安装过程中要注意：了解产品在实际使用中可能遇到最大的浪涌电压和电流最大值；对浪涌发生路径进行分析；一般安装在发生源处，这样效果会好些；还有注意浪涌保护器的特性等。

有时候电路中也采用限流措施和限压相结合的方案来解决浪涌干扰的问题,限流器件一般有保险丝(干扰泄放后,它断开保护后不可恢复的)和自恢复保险丝(干扰泄放到大地后,自恢复保险丝可以自行恢复)，他们一般放置在输入前端.在选用限流保护器件时,要注意限流保护器件的流过的最大保护电流。

4.涌保护器与EMI滤波器结合

如图2所示，将浪涌保护器放置于滤波电路中作为滤波器的一部分。这样既可以吸收雷击所产生的浪涌电压，也可以吸收电源中各种浪涌脉冲噪声, 同时也滤掉其它噪声，从而整个滤波效果提高，当外界雷击电压冲击时也起到保护产品的作用。但是要注意一个问题，根据压敏电阻的特性尽量避免相-地之间使用浪涌保护器；因为压敏电阻与LC滤波器结合的保护电路，当雷击时电容越大，保护的残压越低，对被保护的设备越有利，但是，正常工作时，电容越大，泄漏电流也越大。

5.例分析

5.1.AC220V电源的防雷和滤波结合措施的分析

参考图3可以从下面几个方案来做选择：

5.1.1.果AC220V电源进线只是N线和L线，那么只在L线和N线之间增加一个压敏电阻，这是最简单的防雷措施。这个压敏电阻要靠近进线端放置，这样才可以起到防雷和保护后面电子设备电路的作用，另外图中的保险丝是防止大电流浪涌的措施，它可以防止大电流干扰。这个保险丝是不可恢复的，它最好靠近电源输入端放置。

5.1.2.果AC220V电源进线是三根线: 地线, L线和N线。这种情况可以分为下面几种情况:

情况一: 只在L线和N线之间增加一个压敏电阻，而且这个压敏电阻要靠近进线端放置， 这样才可以起到防雷和保护后面电子设备电路的作用；

情况二: 在地线和L线和N线彼此之间各增加一个压敏电阻，而且这个压敏电阻要靠近进线端放置，这样才可以起到防雷和保护后面电子设备电路的作用；

情况三: 在地线和L线和N线彼此之间各增加一个压敏电阻和放电管串联的电路，而且这个压敏电阻和放电管串联的电路要靠近进线端放置，这样才可以起到防雷和保护后面电子设备电路的作用。

上述三种情况中，其中情况三（如图4）是最完整最安全的防雷电路，可以优先考虑它，但这个防雷电路的器件比较多，所以成本大些，而且需要的空间也大些。

情况四: 在上述三种情况中，也可以增加一个限流措施,都在线路上增加一个保险丝或者自恢复保险丝。

5.2.般直流电源的常用防雷措施

图5是直流电源电路的输入端电路，不同输入直流电源的电路，防雷方案是稍有区别的。

5.2.1.果输入直流电源是DC24V—DC48V，那就在正负极输入电压之间增加一个压敏电阻和温度保险管串联的电路，同时在负极和大地之间要增加一个气体放电管，他们也要靠近输入端放置，同时气体放电管接地端要良好，这样才可以起到防雷和保护后面电子设备电路的作用。

5.2.2.果输入直流电源是DC110V, 那它的防雷电路如图6。

6.论

总之，防雷滤波是一个解决电磁兼容好的措施，既将产品的干扰解决掉，同时也解决了产品受雷击而引起的干扰和产品损坏。防雷滤波此种滤波器与以往单独滤波器一样，在安装时要注意：接地线应尽量短(因为雷电流脉冲前沿很陡)，另浪涌保护器一般尽量安装发生源处，这样效果会好一些；选择浪涌保护器注意各个特性指标。

[1]王 丽，张小青 EMI滤波器与浪涌抑制技术的结合[J] 电力系统通信2006，第27卷第165期 ，50～53

[2]区健昌、林守霖、吕英华 《电子设备的电磁兼容性设计》[M] 2003年9月

Discussion on the Appliances’ Lightning Protection Filtering Technology

GUO Zheng-ming1，HUANG Fei1，WANG Yong-feng2，HU Jia-xiang3
（1.Supervision & Test Station for Electronic Product of Sichuan，Chengdu 610100 2.QUIPERT（shanghai）CO.,LTD,Shanghai 200235 3.PLA Military Delegation Office for 157 Factory.Pengzhou 611930）

Our country is the lightning multiple regions.In our daily life，appliances are often strucked by lightning what lead to damage or working improperly.This paper discussed and verified the lightning protection and filtering technology which is commonly used in product design.

EMC(Electro Magnetic Compatibility)；SPD（Surge protection Device）；Filtering；EMI（Electro Magnetic Interference）；EMS（Electromagnetic Susceptibility）

TN973.2+1

A

1004-7204（2012）03-0022-04

郭正铭，1976年5月，男，四川平昌，工程师，主要从事电磁兼容技术。