力矩限制器雷击浪涌测试、分析与改进

2022-07-21张楠珂

电子制作 2022年12期

张楠珂

（湖南信息职业技术学院，湖南长沙，410200）

0 引言

汽车起重机工作环境复杂恶劣，且经常在空旷的工地附近工作，容易出现雷击现象。力矩限制器作为起重机安全控制中十分重要的一个环节，它的抗雷击性能直接关系到整车的安全性能。本文从雷击浪涌实验标准，力矩限制器设备实验结果，理论分析，器件选型入手，解决在实际产品设计过程中遇到的问题。同时，该分析方法也适用于其他电子产品抗雷击性能设计的参考。

1 浪涌冲击抗扰度试验

雷击浪涌危害主要产生于以下几个方面：（1）直接击中电路设备，从而在电路上产生高压。（2）击中附近的物体产生强大电磁场，从而在电路设备上产生高的感应电压。（3）雷电电流流入公共低阻抗后，由于保护器件的动作产生突变的电压电流，耦合进入电路设备。

浪涌冲击试验方法与设备：

（1）试验等级

试验时电源线路采用4kV电压，通信线路采用1kV电压。如表1所示。

表1 浪涌冲击试验等级

（2）试验环境与设备

图1是共模试验与差模试验的耦合/去耦网络，由于雷击浪涌的上升沿较快速脉冲群要平缓，所以所包含的高频分量要少很多。所以一般电容电阻的取值和快速脉冲群试验的耦合/去耦网络时不一样的。一般共模试验C=9

μF

，R=10Ω，差模试验C=18

μF

。

图1 雷击浪涌耦合/去耦网络

雷击浪涌抗扰度测试系统简介：特有主机网络一体式设计，实现内置10A单相三通道界面程控电源耦合去耦网络和四通道界面程控信号线网络，双机配置灵活，全面实现自动控制。

(3)试验方法

雷击浪涌发生器与力矩限制器用1m长的电缆相连接。正负极各施加5次浪涌电压，频率为每分钟施加1次。

2 浪涌干扰抑制网络

图2是浪涌抑制网络的一般电路形式，该网络由串联元件Z1和并联元件Z2组成。其中并联元件可以是线性元器件，如电容，但大多数情况下是一个非线性元件，当正常工作时处于高阻抗状态，当出现浪涌干扰时处于低阻抗状态，从而实现电流泄放，例如TVS二极管和气体放电管。串联元件主要是用于限制瞬态浪涌电流，同时由于Z1和Z2的分压作用，使得负载端的电压得到抑制。常见的串联元件有电阻、电感、磁环磁珠等。常用的三种保护方法有：转移瞬态电流、对敏感元器件和电路进行特殊保护，从软件层面进行特殊保护。

图2 浪涌抑制网络

3 力矩限制器电源电路设计

供电系统的设计在整个产品当中至关重要，设计时不但需要考虑电源本身的基本电气参数，还要考虑电源的稳定性设计，如电磁兼容，温度范围，安全设计等因素，在设计之前，必须彻底了解整个系统的实际需求，并综合成本与效率全面论证可行的设计方案。

汽车起重机车载24V电源给整个系统供电，其波动范围为DC18～36V。本文采用直流线性稳压电源为力矩限制器供电，直流线性稳压电源是为电子系统提供稳定的直流电压的设备，在车载电压与负载电阻变化的情况下，保证电源输出的电压不变。与线性电源相比，开关电源的直流输出一般会叠加上较大的纹波电压，并且由于开关管的关断频率很高容易产生大的尖峰脉冲，对电磁兼容的控制难度很大。一般车载力矩限制器对于电源体积和效率的要求并不高，所以采用线性稳压电源对解决EMI与EMC问题是十分有帮助的。如图3所示，为本款力矩限制器的电源电路。图3中U2模块为DC-DC直流线性稳压电源。

图3 电源部分电路图

本电源设计方案将24V车载电源通过线性稳压电路分别转换成12V电压与5V电压。其中5V电压给RS485模块及键盘模块供电，12V电压给外部传感器供电。同时5V电压通过图4两路三端稳压器转换为3.3V电压，分别给主芯片和LCD显示器供电。

图4 5V转3.3V电路

本电源设计方案采用3级防雷设计。其中第一级F1为0.75A自恢复保险，自恢复保险丝是一种过流电子保护元件，采用高分子有机聚合物在高压、高温，硫化反应的条件下，经过特殊的工艺加工而成。第二级RV1为MOV压敏电阻，MOV最常用于电源线上。它们的响应时间比TVS二极管慢，比气体管快。它们的响应时间在数百纳秒的范围内，对于雷击浪涌来说已经足够快了，但对于EFT群脉冲或ESD静电来说通常就不够快。但是它们能承受数百或数千安培的雷击浪涌电流，并能耗散数十焦耳或更多的能量。虽然在长期受到浪涌电流时，MOV性能会逐渐退化，但这通常不是太大问题，因为MOV的额定值通常为几百万次浪涌。MOV可以说是是保护电子设备免受大电流浪涌影响的最佳器件，而且性价比很高。第三极D3为TVS二极管，TVS没有MOV那么大的载流能力，然而TVS具有较低的钳位电压。使用TVS二极管时，浪涌电流通常会限制在100 A以下，它的响应时间在皮秒级范围内，可用于ESD、EFT和雷击浪涌保护。

4 力矩限制器雷击浪涌实验过程与分析

■4.1 第一次实验分析

图2电源电路第一次实验结果如下：采用差模正电压，共模电压500V实验时通过。采用差模负电压500V实验时出现机器重启现象。采用共模1kV电压进行实验时，出现电源模块图2中U2出现损坏现象。

原因分析：因为共模电压是加在电源和大地之间，对于系统来说是加在24V电源线和机壳之间。在最初的设计中VGND和GND只是通过电容相连，所以当浪涌电流流经电容时会造成24V和GND之间出现高压，从而损坏电路。

■4.2 第二次实验分析

通过第一次实验结果及分析，改进电路将VGND搭接机壳。

实验结果：采用差模正电压2kV，共模电压2kV实验通过，差模负电压500V，出现重启。差模正电压4kV，出现保险损坏现象。

原因分析：第一次实验改进后，因为共模电压有低阻抗回路，相当于MOV压敏电阻、TVS二极管都能起到作用，所以整个系统浪涌防护性能提升。在做差模正电压4kV实验时，由于浪涌电流过大，导致保险烧坏。

■4.3 第三次实验分析

通过对第二次实验分析，改进了图3电路，如图5所示。

图5 改进后电路

实验结果：所有波形全部通过。

原因分析：将压敏电阻型号由14D390K转换成14D820K，TVS管换成15KPCA。同时增加了220μF大电容C101。差模负极性出现重启是因为负极性电压导致系统掉电，所以增加220μF电容可以在系统暂时掉电情况下提供电压。通过对14D系列压敏电阻数据手册（图6）进行分析发现14D390K的压敏电阻在浪涌发生器8/20μs电流波情况下，所能通过的最大电流为1000A。

图6 14D系列压敏电阻数据手册

压敏电阻选型钟最需要注意的事项是最大限制电压就是残压，需要注意这个是在50A情况下测量的结果，实际通过的电流可能大于50A，这时的残压就不是77V了。应该参考图7。

对雷击浪涌实验设备来说，浪涌发生器输出电压4kV，输出电阻2Ω，所以得到短路电流为2kA。注意在电路图中如果接上浪涌发生器，那么在压敏环路里面的数学表达式为V=4000-I＊R，V为压敏两端的残压，I为通过压敏的电流，那么可以画出这个表达式的曲线，并且与图7的曲线相交，交点就是压敏电阻两端的电压电流。显然在图7中，这条曲线与压敏u-i曲线无法相交。所以要选用820k，如图8所示。

图7 14D390K电压电流关系图

图8中公示V=4000-I＊R所代表的曲线与14D820K将产生交点，此时交点的残压估计有250V～300V，电流在1200A左右。注意14D820K的最大承受电流为4500A。所以可以起到保护作用。当然由于此时还有250V的残压，所以第二级防护TVS起到了作用。注意TVS换成15KPCA是因为实验表明在做脉冲5a波形的实验时，5KP和原先的45CA都不能起到作用会直接烧坏，所以需要选用功率大的15KPCA，并非本实验雷击浪涌导致的改变。