| 电源产品的雷击防制 |
| 雷击是大自然界现象,当雷击中地面或障碍物时,瞬间的突波电压会藉由传输系统（如电力线/天线/网络）等进入电源产品（Power supply） ,此异常能量造成产品内部的组件损毁。另外, 在现实生活中, 电源开关切换与插头的插拔, 也有可能出现类似的瞬间的突波电压。 为了验证产品对雷击防制的耐受程度 , 因此IEC 针对不同的产品定出的雷击测试规范（IEC-61000-4-5） , 表就针对不同产品所订定的规范。 为了模拟雷击波形与能量, 测试的方式主要分为以下两种 开路电压（open circuit voltage） （图二） 与短路电流（short circuit current） （图三） : 雷击的测试项目主要针对电源火线（L）,地线（N）,地（E）进行不同组合测试主要测试 项目有四种（L??E , N??E, L&N??E, L??N）, 般设计考虑上分为共模（Common Mode）与差模（Differential mode）两大类, A. L??E , N??E, L&N??E 测试属于共模（Common Mode） B. L??N 测试属于差模（Differential mode） 以下是做雷击测试时Common Mode 和Differential mode 的路径如图四所示 图四 共模的雷击对策: （Common Mode） 共模雷击能量泄放路径,（参考图四绿线） ,先考虑跨初、次会因距离不足而造成其雷击跳火或组件损坏的路径有那些?（变压器 /光耦合器 /Y-Cap）针对这三个组件选择与设计考虑如下: 1. 变压器: 因变压器横跨于初、次组件, 依照工作电压有不同的安规距离要求, 般采用Class B 的等, 零件本身初次需通过Hi-POT 3000Vac , 需特别注意脚距离与铁心的距离以及绕组每层胶带数量是否绝缘强度。 2. 光耦合器: 组件本身的距离需安规的要求, layout 时零件下方不可有Trace 避免距离不足的问题。 3. Y-Cap: 本身的特是频低阻抗的组件,当共模雷击测试时,能量会通过Y-Cap所摆放的路径, 因此layout 布局时半导体组件（PWM IC , TL431, OP…） GND trace 应避开Y Cap 雷击能量泄放路径, 以避免成零件的损坏 差模的雷击对策: （Differential） 雷击能量流经的路径主要在桥式整流器前的L 和N 回路, 主要对策如下: Varistor（MOV） 或 Spark Gap（雷击管）吸收等组件吸收并抑制能量流入power supply 内部。 1. Thermistor （NTC） :串接于L or N 的路径上,会增加回路的阻抗值,进而降低进入Power supply 的电流能量。 2.MOV（Metal Oxide Varistor ） :金属氧化物或突波吸收器, 使用上并联于L 和N 上,组件本身为个阻抗的组件,在般的情形下并不会有损耗产生,只有稍许的漏电流,当瞬间的雷击电位进入电源输入端且过MOV 的崩溃电压,此时产生抑制电压的动作,而让瞬间上升电流流经MOV 本身进行能量吸收,降低雷击的能量进入Power Supply 本身。 3. Spark Gap or Gas Discharge Tube : 使用上并联于Common Choke 同次侧的两端,针对雷击所产生的动作保护原理当瞬间的电位在Common Choke 两端过其额定的电压时会激发惰气体, 此时Spark Gap 会产生电弧放电,将突波的能量抑制下来,不让大量的能量进入Power Supply , 4. 在layout 上规划出锯齿状的铜箔形式,两端距离约1mm,当Common Choke 两端的压差太大时,产生放电的现象,将能量进而宣泄。 除了上述设计上所应注意的地方之外, Layout 上如何达到对电击的防制亦是重要环 1. 地线（Ground） 的处理,如图五所示, A. 次侧的部分,Ground 的layout 顺序大电容的Ground ->??Current -> sensor ->??Y-Cap??次侧变压器辅助绕组Vcc 电容的Ground ->??PWM IC 外围 组件的ground ->??PWM IC 的ground 。 B. 二次侧的部分:1. TL431 的地接至第二输出电容的地。 C. 二次侧Y-cap 的出脚接至二次侧变压器的ground 。 图五 2. 正端压部分的处理, 如图六所示。 图六 A. L,N 两线距离2.5mm以上及与E 的距离在4mm以上。 B. 压的铜箔与低压的铜箔距离在1.5mm以上。 C. 、二次侧的距离在6mm以上。 4. PWM IC layout 的注意事项 ,因PWM IC 相较于其它的组件而言是属于比较脆弱且易损伤的组件, ,举例笔者所任职通嘉科技（Leadtrend Technology Corp.）的PWM IC LD7576 产品做个说明（客户power board 实测可通过6KV surge）,在般的PWM IC 都会定义每支脚位所能承受的zui大电位及负向电压如图七所示,所以开始layout 其组件的摆置相形重要。 1. Vcc 的电解电容及陶瓷电容。 2. Cs pin 的陶瓷电容。 3. CT pin 的陶瓷电容。 4. COMP pin 的陶瓷电容。 以上电容都要尽量要靠近IC,以防止瞬间电压进入PWM IC（尤其是负电压）。再来就Ground 的处理, 先将PWM IC 之 CT / CS / COMP GND 接在起后,单点进入IC GND,再接至Vcc 电解/陶瓷电容的Ground zui后再接至辅助绕组的Ground。 Absolute Maximum Ratings Supply Voltage VCC -0.3V~30V High-Voltage at HV pin -0.3V~600V COMP, CT, CS -0.3V~7V 对于layout ground 的部分用实例来解释如图八所示, Ground 的layout 准则 1. Current sense 电阻直接回到大电容的地。 2. 由大电容的地先到变压器的地再到辅助绕组 Vcc 电解电容的地。 3. 由辅助绕组 Vcc 电解电容再分出去给光耦合器的地及IC 外围陶瓷电容的地,zui后接到PWM IC 的地。 撰写本文的目的是将笔者这几年在设计电源供应器上针对雷击防制上的经验上做个汇整能够对目前正从事于Power Supply 设计的専业人员有些帮助。 |
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