防雷电路设计规范【技术经验】.ppt

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1、防护电路设计规范,Made by Titan Access/Compliance,专业课件,内容概要（第一部分）,术语和定义 雷电过电压产生机理 设备端口抗浪涌过电压能力 防雷电路中的保护元器件,2,专业课件,术语和定义（1）,1 防雷器：可安装在设备端口的保护器，防止由外部线缆引入设备的过电压/过电流损坏设备。 2 防雷器的残压：进入防雷器的过电压被限压保护元件钳位后防雷器输出的剩余过电压值。被保护端口自身的抗过电压水平必须高于防雷器的输出残压并有一定的裕量，防雷器才能真正起到保护设备的作用。 3 1.2/50us冲击电压：雷击时线缆上产生的感应过电压的模拟波形，用于设备端口过电压耐受水平测

2、试，主要测试范围：通信设备的电源端口和建筑物内走线的信号线测试。,3,专业课件,术语和定义（2）,4 1.2/50us(8/20us)混合波：是浪涌发生器输出的一种具有特定开路/短路特性的波形。发生器输出开路时，输出波形是1.2/50us的开路电压波；发生器输出短路时，输出波形是8/20us的短路电流波。 具有这种特性的浪涌发生器主要用于设备端口过电压耐受水平测试，主要测试范围：通信设备的电源端口和建筑物内走线的信号线测试。 5 10/700us冲击电压：雷击时线缆上产生的感应雷过电压的模拟波形。用于设备端口过电压耐受水平测试时用的波形，主要测试范围：建筑物外走线的信号线（如用户线类电缆）的测

3、试。,4,专业课件,术语和定义（3）,6 8/20us冲击电流：雷击时线缆上产生的感应过电流模拟波形，设备的雷击过电流耐受水平测试用标准波形，主要用于通信设备的电源口、信号口、天馈口。 7 10/350us冲击电流：直流雷电流模拟波形。目前通信设备端口的防雷测试较少使用。,5,专业课件,模拟雷电过电压波形,1.2/50s 电气电子设备绝缘耐受性能试验用标准雷电过电压波形,6,专业课件,模拟感应雷电流波形,8/20s 防雷设计和保护装置试验用标准电流脉冲波形,7,专业课件,雷电过电压产生机理,雷电过电压-直击雷（地电位升高，反击）,Uab=L（di/dt） 取h=10m，I=100KA（10/3

4、50s） 假设有4根引下线分流，即I=25KA 则：L=16.7H，di/dt=2.5KA/s Uab 42KV,a,b,R,i,i,h,8,专业课件,雷电过电压产生机理,雷电过电压-感应雷,9,专业课件,雷电过电压产生机理,10,专业课件,雷电过电压产生机理,A Device,B Device,5kA通流情况下，1m平行线缆 上耦合950V电压；2m线平行线 上耦合1.54kV电压。,11,专业课件,雷电过电压产生机理之地电位反击,12,专业课件,设备端口抗浪涌过电压能力,设备上连接各种线缆（电源线、信号线）的外端口，需要具备一定的抗雷击过电压的能力。主要有两方面的含义：1、由线缆引入到设备

5、端口的雷击过电压较小时，设备自身的雷击过电压耐受能力应可抵抗得住而不发生损坏。2、由线缆引入到设备端口的雷击过电压较大时，设备的端口需要外加防雷器，这时设备自身的雷击过电压耐受能力应高于防雷器的输出残压值，防雷器才能有效的保护设备。国际电工委员会，国际电信联盟等在设备端口抗雷击过电压测试方面的主要标准是IEC 1000-4-5，ITU-T K系列等等，这些标准是抗浪涌方面的基础标准，另外，ETS 300 386是一个欧洲的通信设备EMC测试行业标准。,13,专业课件,设备端口抗浪涌过电压能力,1 交流电源口过电压耐受水平 等级I：差模施加2kV电压正负各5次无损坏；共模4kV电压正负各5次无损

6、坏。 测试波形： 1.2/50ms8/20ms混合波。 测试方法：按照IEC 1000-4-5的要求进行。交流供电的通信设备，除满足以上电源口过电压耐受水平外，还应配有交流防雷装置。 2 直流电源口过电压耐受水平 等级I：差模：施加1kV电压正负各5次无损坏；共模：施加2kV电压正负各5次无损坏。 等级II：差模：施加0.5kV电压正负各5次无损坏；共模：施加1kV电压正负各5次无损坏。 测试波形： 1.2/50ms8/20ms混合波， 测试方法：按照IEC 1000-4-5的要求进行。 等级II是通信设备的直流电源口过电压耐受水平的基本要求，所有通信设备的直流电源口都应该达到这一水平。 终端

7、类通信设备，不一定在各种情况下都要求配直流电源防雷器。若终端设备不配直流电源防雷器，其直流电源口过电压耐受水平的要求应达到等级I。,14,专业课件,设备端口抗浪涌过电压能力,3 信号口过电压耐受水平 建筑物内信号互连线： 等级I：差模：施加2kV电压正负各5次无损坏；共模：施加4kV电压正负各5次无损坏。 等级II： 差模：施加1kV电压正负各5次无损坏；共模：施加2kV电压正负各5次无损坏。 等级III：差模：施加0.5kV电压正负各5次无损坏；共模：施加1kV电压正负各5次无损坏。 测试波形： 1.2/50ms8/20ms混合波， 测试方法：按照IEC 1000-4-5的要求进行。 非平衡

8、线，要进行差模及共模的测试。平衡线，在接口部分没有保护电路的情况下，可以只进行共模的测试。 等级III是通信设备信号口过电压耐受水平的基本要求，室内走线的通信设备信号口（指设备对外的信号口，不包括并柜机架间的互连线，以及板间、框间互连线）都应该达到这一水平。 走线距离可以超过10m，一般不超过的30m的信号线，在没有外加防雷器保护的情况下，信号端口的过电压耐受水平建议达到等级I的要求。,15,专业课件,设备端口抗浪涌过电压能力,3 信号口过电压耐受水平 在建筑物外走线的信号电缆： 等级I：差模：施加冲击电压4kV设备无损坏；共模： 施加冲击电压4kV设备无损坏。 等级II： 差模：施加冲击电压

9、1kV设备无损坏；共模： 施加冲击电压1kV设备无损坏。 测试波形：10/700ms冲击电压 试验方法：按照ITU-T K.20。 在建筑物外走线的信号电缆，进入机房后首先应经过配线架上保安单元的一次保护。测试信号口过电压耐受水平的要求是：对设备的信号端口自身做测试，需要满足等级II的要求；在信号端口前连接配线架（带保护单元），在配线架前做测试，需要满足等级I的要求。,16,专业课件,防雷电路中的元器件气体放电管,工作原理：气体间隙放电 主要指标有：响应时间 （数百ns以至数ms ）、直流击穿电压（2050V） 、冲击击穿电压（一般大于600V）、通流容量、绝缘电阻（千M欧以上）、极间电容（小

10、于5pF）、续流遮断时间。,17,专业课件,什么是气体放电管的续流和遮断,防雷电路中的元器件气体放电管,18,专业课件,使用气体放电管的注意事项： 1 在交流电源电路的相线对保护地线、中线对保护地线单独使用气体放电管是不合适的 2 在直流电源电路中应用时，如果两线间电压超过15V，不可以在两线间直接应用放电管。 3设置在普通交流线路上的放电管，要求它在线路正常运行电压及其允许的波动范围内不能动作，则它的直流放电电压应满足：min(ufdc)大于1.8UP。式中ufdc直流击穿电压，min(ufdc)表示直流击穿电压的最小值。UP为线路正常运行电压的峰值。 4 气体放电管构成的防雷器长时间使用后

11、存在维护及更换的问题。,防雷电路中的元器件气体放电管,19,专业课件,防雷电路中的元器件压敏电阻,压敏电阻简介 压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。 压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量(较大，但小于气体放电管)、结电容（几百几千nF ）、响应时间（nS级，快于气体放电管）等。,20,专业课件,防雷电路中的元器件压敏电阻,压敏电阻设计要点： 1 压敏电阻的压敏电压（min(U1mA）、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，应当有：min(U1mA)大于(1.

12、82)Udc，式中Udc为回路中的直流工作电压。在交流回路中，应当有：min(U1mA)大于(2.22.5)Uac，式中Uac为回路中的交流工作电压。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时，有适当的安全裕度。在信号回路中时，应当有：min(U1mA)大于(1.21.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言，压敏电阻能够承受两次电流冲击而不损坏的通流值应大于防雷电路的设计通流量。 2 压敏电阻的失效模式主要是短路，当通过的过电流太大时，也可能造成阀片被炸裂而开路。压敏电阻使用寿命较短，多次冲击后性能会下降。因此由压敏电

13、阻构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。,21,专业课件,防雷电路中的元器件电压钳位型瞬态抑制二极管（TVS）,TVS是一种限压保护器件，作用与压敏电阻很类似。也是利用器件的非线性 特性将过电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。TVS管的主 要参数有：反向击穿电压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容(高几百几千nF，低几pF到几十pF)、响应时间（pS）等。,22,专业课件,防雷电路中的元器件电压钳位型瞬态抑制二极管（TVS）,TVS管设计要点： 1 TVS管的非线性特性比压敏电阻好，当通过TVS管的过电流增大时，TVS管的钳位电压上升速度比压敏电阻慢，因此可以获得比压敏电阻更理

14、想的残压输出。在很多需要精细保护的电子电路中，应用TVS管是比较好的选择。TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的，一般用于最末级的精细保护，因其通流量小，一般不用于交流电源线路的保护，直流电源的防雷电路使用TVS管时，一般还需要与压敏电阻等通流容量大的器件配合使用。 TVS管便于集成，很适合在单板上使用。 2 TVS具有的另一个优点是可灵活选用单向或双向保护器件，在单极性的信号电路和直流电源电路中，选用单向TVS管，可以获得比压敏电阻低50以上的残压。 3 TVS的反向击穿电压、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，应当有：min(U1mA)大于(1.82)Udc，式中Udc

15、为回路中的直流工作电压。在信号回路中时，应当有：min(U1mA)大于(1.21.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。 4 TVS管的失效模式主要是短路。但当通过的过电流太大时，也可能造成TVS管被炸裂而开路。TVS管的使用寿命相对较长。,23,专业课件,防雷电路中的元器件TSPD与PPTC,TSPD (Thyristor Surge Protector Devices) : 过电压电路保护器件有两种类别，箝制和“转折”，或“急剧短路”器件。如金属氧化物变阻器（MOV） 和二极管的箝制型器件在运行中能够让电压上升到设计好的箝制水平以流过至负载。如TSPD和 气体放电管之类的“转折”

16、器件对应于超过击穿电压的浪涌电压情况作为一个分流器器件来工作。 “转折”型器件提供了优于箝制器件的一项优点。对于某个给定的故障电流，在TSPD内耗散的功 率远小于如MOV或雪崩二极管的箝制器件内所耗散的功率，这是由于“转折”器件两端的电压更小。 这样就可使用小尺寸的过电压器件，并使电容值降低，而这正是高速通讯设备极为需要的特性之一。 这种基于芯片的器件能够对击穿电压进行精确的设置，并且不会在多次故障事件后 降低等级。TSPD还可以按照SMB的表面安装封装进行供货，有助于节约部件密集的 印刷电路板上的空间。 在电压超过器件“转折”所需的击穿电压时，将导致一个低阻抗路径的形成，从而有效地 对过电压

17、状况进行短路。器件将在流经它的电流降低到其保持额定值以下前保持在这种 低阻抗状态下。在过电压事件发生后，器件将恢复成高阻值状态，实现正常的系统运 行。,24,专业课件,防雷电路中的元器件TSPD与PPTC,TSPD 应用注意事项：,1. 击穿电压：决定器件在哪一点应当从高阻抗转入到低阻抗，以保护负载。需要进行保护的最低电压是多少，最大击穿电压必须小于此值。2. 关断状态电压：器件的最大额定运行电压必须大于系统的持续运行电压，这个值定义为峰值振铃（交流）电压加上直流电压的总和。3. 峰值脉冲电流：器件的峰值脉冲电流必须大于针对系统规定的最大浪涌电流。如果不是这样，就有可能需要增加额外的电阻值来减

18、少脉冲电流，让其处于器件的脉冲额定值范围以内。典型峰值脉冲电压值在相关电信标准的雷击浪涌部分规定，例如Telcordia GR-1089 和FCC Part 68.4. 保持电流：保持电流决定了过电压保护器件将在保时“复位”或从低阻抗切换至高阻抗，从而让系统恢复正常。该器件的保持电流必须大于系统的电源电流，否则它将保持在低状态下。,25,专业课件,防雷电路中的元器件TSPD与PPTC,PPTC电路保护器件采用半晶体状聚合物与导电性颗粒复合制造。在正常温度下，这些导电性颗粒在 聚合物内构成了低电阻的网络结构但是，如果温度上升到器件的切换温度（TSw）时，无论这种状 况是由于部件流过很大的电流造成

19、的，还是由于环境温度的上升造成的，聚合物内的晶体物质将会 融化并成为无定形物质。在晶体相融化阶段所出现的体积增长导致导电性颗粒在液力作用下分隔， 并导致器件的电阻值出现巨大的非线性增长。 典型情况下，电阻值将增加3到4个数量级。此电阻值在增加后能够将故障条件下流经的电流数量降 低到一个较低的稳态水平，从而保护电路内的设备。在故障排除以前以及电路电源断开以前，PPTC 器件将保护在其闩锁（高阻值）状态下，而故障排除以及电路电源断开时，导电性复合材料冷却下 来并重新结晶，将PPTC恢复成电路内的低阻值状态，受影响的设备也恢复到正常的运行状况。 PPTC器件在电路中作为串联部件使用。此器件所具有的较

20、小外形有助于节省宝贵的板卡空间。而且 与传统上要求用户能够接触到的熔断器相反，PPTC器件的可复位功能允许其布置在无法接触到的位 置。由于PPTC器件属于固态器件，所以也能耐受机械冲击和振动，从而有助于在广泛的应用范围内 提供可靠的保护能力。 一旦PPTC器件动作，由于它需要有一个很低的焦耳加热泄漏电流或外部热源来保护其已动作状 况，所以有一个很小数值的电流通过。一旦故障状况被排除，这个热源即被消除。这时器件就可以 恢复到低阻值状态，而电路也就恢复正常。,26,专业课件,防雷电路中的元器件TSPD与PPTC,实际应用电路举例Ports,27,专业课件,防雷电路中的元器件TSPD与PPTC,实际

21、应用电路举例Ports（北美）,28,专业课件,防雷电路中的元器件电压开关型瞬态抑制二极管（TSS）,TSS管简介： 电压开关型瞬态抑制二级管与TVS管相同，也是利用半导体工艺制成的限压保护器件，但其工作原理与气体放电管类似，而与压敏电阻和TVS管不同。当TSS管两端的过电压超过TSS管的击穿电压时，TSS管将把过电压钳位到比击穿电压更低的接近0V的水平上，之后TSS管持续这种短路状态，直到流过TSS管的过电流降到临界值以下后，TSS恢复开路状态。,29,专业课件,防雷电路中的元器件电压开关型瞬态抑制二极管（TSS）,TSS管设计要点： 1 TSS管在响应时间、结电容方面具有与TVS管相同的特

22、点。易于制成表贴器件，很适合在单板上使用，TSS管动作后，将过电压从击穿电压值附近下拉到接近0V的水平，这时二极管的结压降小，所以用于信号电平较高的线路（例如：模拟用户线、ADSL等）保护时通流量比TVS管大，保护效果也比TVS管好。TSS适合于信号电平较高的信号线路的保护。 2 在使用TSS管时需要注意的一个问题是：TSS管在过电压作用下击穿后，当流过TSS管的电流值下降到临界值以下后，TSS管才恢复开路状态，因此TSS管在信号线路中使用时，信号线路的常态电流应小于TSS管的临界恢复电流。 3 TSS管的击穿电压（min(U1mA）、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在信号回路中时，应当有：

23、min(U1mA)大于(1.21.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。 4 TSS管较多应用于信号线路的防雷保护。 5 TSS管的失效模式主要是短路。但当通过的过电流太大时，也可能造成TSS管被炸裂而开路。TSS管的使用寿命相对较长。,30,专业课件,四种常用电路保护器件特性一览表,31,专业课件,防雷电路中的元器件热敏电阻（PTC）,简介： PTC是一种限流保护器件，其电阻值可以随通过PTC电流的增大而发生急剧的变化。一般串联于线上用作过流保护。当外部线缆引入过电流时，PTC自身阻抗迅速增大起到限流保护的作用。PTC在信号线及电源线路上都有应用。PTC反应速度较慢，一般在毫秒级以

24、上，因此它的非线性电阻特性在雷击过电流通过时基本发辉不了作用，只能按它的常态电阻来估算它的限流作用。热敏电阻的作用更多的体现在诸如电力线碰触等出现长时间过流保护的场合，常用于用户线路的保护中。PTC失效时为开路。 目前PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC两种，其中陶瓷PTC的过电压耐受能力比高分子材料的PTC好，PTC用于单板上防护电路的最前级时，采用陶瓷PTC较好。,32,专业课件,防雷电路中的元器件保险管 熔断器 空气开关,保险管、熔断器、空气开关都属于保护器件，用于设备内部出现短路、过流等故障情况 下，能够断开线路上的短路负载或过流负载，防止电气火灾及保证设备的安全特性。 保险管一般

25、用于单板上的保护，熔断器、空气开关一般可用于整机的保护。下面简单介绍保险管的使用： 对于电源电路上由空气放电管、压敏电阻、TVS管组成的保护电路，必须配有保险管进行 保护，以避免设备内的防护电路损坏后设备发生安全问题。用于电源防护电路的保险管宜 设计在与防护器件串联的支路上，这样防护器件发生损坏，保护管熔断后不会影响主路的 供电。无馈电的信号线路、天馈线路的保护采用保险管的必要性不大。 保险管的特性主要有：额定电流、额定电压等。 概括而言，熔丝可以在小于其额定电压的任何电压下使用而不损害其熔断特性。 额定电流可以根据防护电路的通流量确定。防护电路中的保险管，宜选用防爆型慢熔断保 险管。,33,

26、专业课件,常规电子器件（电阻 电容 电感 导线）在防雷电路中的使用,我们为什么要在防雷保护电路中使用这些常规器件？ 电感、电阻、电容、导线本身并不是保护器件，但在多个不同保护器件组合构成的防护电路中，可以起到配合的作用。防护器件中，气体放电管的特点是通流量大、但响应时间慢、冲击击穿电压高；TVS管的通流量小，响应时间最快，电压钳位特性最好；压敏电阻的特性介于这两者之间，当一个防护电路要求整体通流量大，能够实现精细保护的时候，防护电路往往需要这几种防护器件配合起来实现比较理想的保护特性。但是这些防护器件不能简单的并联起来使用。,34,专业课件,电阻、电感、电缆防雷应用,混合型浪涌保护电路中用于前

27、后级保护器件配合的电阻、电感等：,L,R一般用于去耦： 为RV的起动电压 为钳位电压,35,专业课件,变压器、光耦、Y电容在防雷电路中的应用,变压器、光耦、Y电容本身并不属于保护器件，但端口电路的设计中可以利用这些器件具有的隔离特性来提高端口电路抗过电压的能力。 端口雷击共模保护设计有两种方法：1、线路对地安装限压保护器。2、线路上设计隔离元件，能够实现这种隔离作用的元件主要有：变压器、光耦、Y电容等。 例如：,36,专业课件,印制走线,防护电路的设计常犯的一个错误是：防护电路中的保护器件达到了设计指标的要求，但在印制板上的印制走线过细，降低了防护电路整体的通流能力。例如：在一个设计指标为5k

28、A的防护电路中，采用的防护器件的通流量达到了8kA，而连接保护器件的印制走线上的通流量却只能达到1kA，则印制走线的宽度成了限制防护电路通流量的瓶颈。因此在进行接口部分电路的布线时，应注意印制走线不要太细。一般在印制板表层的走线，15mil线宽可以承受的8/20us冲击电流约1kA。,37,专业课件,端口防护概述（第二部分）,电源防雷电路安装 电源防雷电路的设计 信号防雷电路的设计,38,专业课件,端口防护基本原则,端口防护的目的就是要将各种外部线缆引入设备的过电压/过电流阻挡在端口之外， 主要是以下两方面：1、外部线缆引入设备的过电压，经过防护电路后电压值被限制 到后级电路能够承受的范围之内

29、；2、外部线缆引入设备的过电流，绝大部分被防护 电路短路到大地，仅有极少部分的电流流入后级电路之中，从而起到保护设备的作用。 防雷器对端口的保护，分为共模保护和差模保护两个方面。对一种线缆而言，引入 设备的过电压/过电流以线缆对地的共模为主，线缆间的差模过电压/过电流相对小一 些。但在有防护电路及设备上广泛采用等电位连接的情况下，共模的过电压/过电流 也可以转化成差模。 通信设备防护能力的强弱，与系统接地设计的关系也非常密切。防雷设计对接地的 要求中，最根本的一点是实现设备上电源地、工作地、保护地的等电位连接。通信 设备不仅需要良好的端口防护电路，同时也需要有合理的系统接地设计，才能达到 良好

30、防雷效果。防雷器主要分为电源防雷器、信号防雷器、天馈防雷器。各种防雷 器的保护效果，与防雷器的安装方式有很大的关系。,39,专业课件,电源防雷器的安装,1 串连防雷器 2 并联防雷器,40,专业课件,电源防雷器的安装,5kA(左)、3kA(右)的8/20us冲击电流下1米长导线两端压降 (试验实测值，探头衰减500倍),41,专业课件,信号防雷器的接地,不正确的信号防雷器接地方法,42,专业课件,防雷器的一般安装图示,43,专业课件,电源端口的保护设计概述,电源口防雷电路的设计需要注意的因素较多，有如下几方面： 1、防雷电路的设计应满足规定的防护等级要求，且防雷电路的残压水平应能够保护后级电路

31、免受损坏。 2、防雷电路加在馈电线路上，不应影响设备的正常馈电。例如，采用串联式电源防雷电路时，防雷电路应可通过设备满负荷工作时的电流并有一定的裕量。 3、防雷电路加在馈电线路上，不应给设备的安全运行带来隐患。例如，应避免由于电路设计不当而使防雷电路存在着火等安全隐患。 4、在整个馈电通路上存在多级防雷电路时，应注意各级防雷电路间有良好的配合关系，不应出现后级防雷电路遭到雷击损坏而前级防雷电路完好的情况。 5、防雷电路应具有损坏告警、遥信、热容和过流保护功能，并具有可替换性。,44,专业课件,交流电源口防雷设计,45,专业课件,交流电源口防雷设计变型电路之一,46,专业课件,交流电源口防雷设计变型电路之二,47,专业课件,直流电源口防雷设计,48,专业课件,直流电源口防雷电路设计变型电路之一,49,专业课件,直流电源口防雷电路设计变型电路之二,50,专业课件,典型信号口防雷电路设计E1,51,专业课件,典型信号口防雷电路设计E1,简化电路：,52,专业课件,典型信号口防雷电路设计以太网口外置防雷电路,53,专业课件,典型信号口防雷电路设计串口外置防雷电路,54,专业课件,典型信号口防雷电路设计Ports 口内置防雷电路,55,专业课件,56,专业课件,