EMC防护设计-浪涌

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0、写在前面的话
        EMC的测试项目很多，本文主要介绍电源端口的浪涌防护设计的原理、基本防护结构，防护器件的选型，相关PCB的设计在此处不做过多讲解。
        浪涌和静电防护的“套路”大同小异，但各有侧重点。对于浪涌和静电的整改就好比治理水患的河道，需要做好“疏通”和“阻挡”，其中又以疏通为主，阻挡为辅。浪涌防护设计本质上并不难，只是因为在成本和体积的限制前提下才显得不那么好处理，所以说，设计中处处存在妥协，没有完美的设计，只有合适的设计。
        另外，由于不同行业的产品所需的防护等级不同，如军品和消费品完全不在一个等级，所以具体项目需要具体分析。在EMC设计之前，请确认好产品所需的防护等级、是否有安规需求以及成本要求如何等。

1、EMC家族标准介绍
        目前EMC标准主要分为IEC xxx标准（国际标准）、EN xxx标准（欧标）、GB/T xxx标准（国标）等，国际上为了产品标准的统一性，所以国标和欧标基本上是从IEC国际标准引申出来的，其内容也基本一致。
        EMC按结构主要分为基础标准、通用标准、产品类标准和产品标准。EMC基础标准为EMC的各个具体测试项，其分为EMI和EMS，其中EMI主要有辐射骚扰和传导骚扰等；EMS主要有静电抗扰度、浪涌抗扰度以及电快速瞬变脉冲群等。

备注：关于EMC标准及其具体标准号的介绍，请参考我的另一篇博文EMC相关标准。

2、防护原理和基本防护结构
        防护原理：泄放为主，阻挡为辅；
        基本结构：多级防护，逐级削减。其防护模式的示意图如下所示。


2.1、第一级防护（泄放）
        第一级保护一般为最容易引入雷电的端口，如建筑物进线口、AC电源输入端口等，一般根据应用场合选取不同类型大通流保护器件。电源端口的第一级防护一般选用钳位型大通流保护器件。信号端口的第一级防护一般采用开关型保护器件，如GDT、 SPG、 TSS、信号类防雷模块(SPD)等。

2.2、退耦元件（阻挡）
        由于第一级防护器件与第二级防护器件采用的过电压保护器件种类不同，第一级防护器件的击穿电压大，响应时间长，所以要在两级过电压保护器件之间加退耦元件才能保证让第一级防护先动作，先泄放掉较大部分能量，残余能量再由第二级防护进行泄放。退耦元件要求有一定的阻抗才能起到退耦的作用。

2.3、第二级防护（泄放）
        第二级防护与第一级防护类似，一般选用反应速度快钳位电压低的TVS、 ESD等。

3、各类保护器件的比较
        各类保护器件性能比较如下图所示。


各类保护器件性能参数如下表所示。

各类保护器件的性能参数
特性/器件        钳位型过压保护器件        开关型过压保护器件
MOV        Hyper-fix        TVS        ESD        GDT        SPG        TSS
通流量（8/20μs）        大        较大        一般        小        大        较大        一般
响应速度        较慢        特快        特快        特快        慢        快        快
电容        较大        较大        较大        较小        特小        特小        较小
直流击穿电压精度        一般        精准        精准        精准        一般        一般        精准
脉冲击穿电压        低        低        低        低        高        高        低
GDT（陶瓷气体放电管）的优点是通流量大、电容低、绝缘阻抗大，可用于高速信号线路的防雷保护，如同轴电缆、电话线接口、高清视频接口、以太网口等。缺点是响应速度慢、存在续流问题，不能直接使用在电源回路。

MOV（压敏电阻）的通流量仅次于GDT，响应速度为纳秒级，广泛应用于交流电源线、低频信号线的防雷保护。但其晶格结构决定了它在应用过程中长期开关容易老化，一般在AC电源端，常常和GDT、SPG串联使用，以减缓MOV的老化。

TVS具有反应速度快、钳位电压低、电压精度高等优点，常应用于直流电源线或低速通信线路的浪涌防护。

Hyperfix为超大功率TVS，具有通流量大、响应速度快、无老化、钳位电压等优点，可直接代替MOV应用于交流输入端口的第一级防雷保护，适用于对防护器件要求较高的应用场合，如通信电源、飞机、火车等领域。

TSS （半导体放电管）为一种具有负阻特性的浪涌保护器件，由于其特殊的PNPN结结构设计，在相同的芯片面积上，TSS 可以做到比同尺寸及电压的 TVS 通流量大几倍，而电容比同规格的 TVS 小几倍，可以用于一些通信线路的浪涌保护，如 RS485、RS232、CAN 总线等。 TSS 具有较高的性价比，是低速通信线路浪涌防护的理想选择。

SPG （玻璃气体放电管、强效放电管）为一种具有负阻特性的浪涌保护器件。

ESD 为专门设计的防静电元件，ESD 器件结电容最小可以做到零点几个皮法，适用于高速数据线路的 ESD 防护，如 HDMI、 USB3.0、IEEE1394 等。

4、不同应用下的防护电路
4.1、交流电源电路防护（220Vac输入电源）


        第一级共模防护采用压敏电阻+气体放电管，差模采用压敏电阻。
        退耦电路推荐共模电感，因为220V开关电源的EMI噪声比较严重，共模电感除了退耦作用外，还可以滤除EMI噪声。
        第二级共模防护采用TVS管，放置在整流桥的后面。

备注：
（1）气体放电管不能直接用在交流电源防护口（尤其是220V输入）。首先，因为其为开关型防护器件，动作时电压很低，会影响系统的供电；其次，气体放电管存在续流的问题，动作后，只需要很低的电压就能保证其导通，存在安全风险；
（2）对于220V系统而言，第一级共模滤波不推荐单独使用压敏电阻。首先，因为压敏电阻存在老化问题，多次泄放之后性能会下降；其次压敏电阻的失效模式为短路失效，失效后存在安全风险；最后，压敏电阻具有较大的寄生电容，在220V的系统中存在一定的漏电流；
（3）对于220V系统的浪涌防护来说，不推荐使用电阻和PPTC代替共模电感，因为一般1206电阻的最高额定电压为200V，最高过负荷电压为400V；大部分的PPTC的耐压为60V以下；而220V交流电源的峰值为311V，电压的降额不够。而且电阻和PPTC的EMI抑制效果会很差，所以推荐使用共模电感；
（4）共模浪涌测试时，共模电感两侧会存在很大的浪涌电压，所以得处理好电感的放电回路，可以在共模电感的引脚处加上放电齿，或者在电感两端加上大电阻进行放电，防止电感被击穿；
（5）C1为X电容，C2、C3为Y电容。该电容对浪涌的泄放很有限，主要是用于EMI的处理。

4.2、低压交流电源输入防护（如12Vac~48Vac）


        第一级共模防护推荐采用压敏电阻，差模采用压敏电阻。
        退耦电路推荐共模电感，可以有效的抑制EMI。也可以选择低阻值电阻和PPTC，但需要注意电阻导致的压降和PPTC的电流参数。
        第二级防护采用TVS管。

备注：
（1）低压电源系统中，压敏电阻的漏电流较小，相较于220V系统不易老化；
（2）低压交流系统，也存在压敏短路失效的问题，故推荐在压敏电阻的泄放回路或者压敏电阻的前端串联保险丝；
（3）电阻阻值太小则退耦效果较差，阻值较大则存在发热和压降的问题。PPTC在大电流和高温下也存在可靠性的问题。所以，选择电阻和PPTC需要考虑系统的功耗要求和元器件的参数；
（4）如果防护要求不高，可直接采用第一级防护或者第二级防护。如果只有一级防护系统，那么保险丝或者PPTC须放置在最前端。

4.3、直流电源电路防护


        电源负极的第一级共模防护推荐采用气体放电管，因为负极的电压为0，所以不存在续流和测试时影响系统供电的情况，差模采用压敏电阻。正极的共模防护通过差模的压敏电阻和负极的气体放电管实现，可以节省成本和板面积。
        退耦电路和第二级防护的设计与低压交流电源输入相同即可。

备注：
（1）如果防护要求不高，可直接采用第一级防护或者第二级防护。如果只有一级防护系统，那么保险丝或者PPTC须放置在最前端；
（2）如果系统没有大地，则不用做共模防护。

4.4、信号端口电路防护
        差分信号端只需要做共模浪涌测试，不需要做差模浪涌测试。信号端的防护和电源端防护的原理类似，推荐采用二级防护+退耦电路。信号端的电压较低，且不做供电使用，所以在信号端第一级浪涌防护推荐使用气体放电管，其次气体放电管的寄生电容较小，对信号的影响较小；退耦电路推荐共模电感、功率电阻、PPTC；第二级防护采用ESD（信号速度不快也可使用TVS管）。
        关于信号端的浪涌防护的具体设计，此处不做具体叙述。

5、关于器件的选型
        主要是考虑一级防护、退耦电路、二级防护器件的选型。

5.1、一级防护器件的选型
        一级防护中的压敏电阻有具体的参数可以计算选型，具体内容请参考我的另一篇博文。
        对于低压的直流或者交流电源电路，可以直接部分陶瓷气体放电管而言，只要电源的电压不超过气体放电管的弧光电压，则不存在续流的问题，例如槟城的B3D230L-CD，这款陶瓷气体放电管的直流弧光电压为15Vdc以上，交流弧光电压为110Vac，所以这款气体放电管可以直接使用在12dc/24Vac电路中。

5.2、退耦电路选型（经验值）
        退耦电路一般选择电阻、电感、PPTC器件。
        电阻一般推荐4.7Ω以上，最好不超过10Ω，电阻上有压降，存在消耗功率和发热的情况，电源端口的尤其需要注意。对于信号端口而言，常规速率，推荐10Ω电阻；高速/超高速信号，推荐2~3Ω电阻/电容进行退耦。
        电感首推空心电感，30μH以上（空心电感体积大，感量小，一般只用在大功率设备上）；其次工型功率电感，100~200μH以上（尽可能保证在47μH以上）；最后共模电感，十几mH以上。因为空心电感不易饱和，阻挡浪涌的效果最好；而共模电感易饱和，饱和时线圈之间易击穿，故需要选择较大感抗的电感。做电源端口的共模浪涌测试时，是L-PE、N-PE单独做，所以共模电感和差模电感的效果差不多；但是做差模浪涌测试时，差模电感的效果较好，因为共模电感对于差模浪涌而言几乎没作用，只能靠一点差模漏感起作用；共模电感对于EMI滤波效果较好。所以对于不用做差模浪涌的差分信号线，共模电感是最好的选择，而对于电源端口而言，推荐差模电感。
        PPTC的好处在于系统通电工作时，PPTC上存在电流，会产生一点电阻，且在做一轮多次浪涌测试中，其本身的阻值会上升，比较利于后续几次浪涌的测试。（一轮多次浪涌测试后，压敏电阻、TVS管的残压都会升高，防护效果会下降）。
        实际配置中，可选择电感+电阻（电感放电阻前面）或者电阻+PPTC的组合。这样电感和电阻都不用选的太大，便于选型；其次，降低了电阻上的压降。

5.3、二级防护器件的选型（经验值）
        退耦电路的阻抗较大时（例如8~9Ω），TVS管则可以选择较小功率的，例如600W的SMBJ系列TVS管；
        退耦电路的阻抗一般时（3~4Ω），TVS管需要选择较大功率，例如1500W的SMCJ甚至3000W~5000W的SMDJ系列。

注：1、同一前提下，功率大的器件的防护效果好于功率小的，但是成本高、体积大，需要折中考虑；
       2、器件选型属于原理图部分的设计，PCB的设计在浪涌的防护中也很重要，此处暂不叙述。
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