防浪涌器件能随意并联吗？【EMC学习】

【现象描述】

某设备的电源端口进行浪涌试验时，每进行一次±1kV的差模浪涌信号测试（该设备的浪涌测试要求是；差模±1k V，共模±2kV，B级判据），设备中冷却用的风扇转速就会降低，而且不能恢复。试验结束后，检查风扇工作电路的电源入口的保护二极管，发现已经损坏。

【原因分析】

该设备总电源入口的浪涌保护电路原理图如图1所示。

采用两个压敏电阻并联的差模保护，共模保护采用两个气体放电管并联构成的 1 级保护电路。在设计风扇工作电路时，为了进 一步进行浪涌保护，在直流24 V 电源输入口并联了一个TVS进行差模保护。风扇工作电路电源入口的原理图如图2 所示。

设备总电源输入电路板的输出与风扇工作电路电路板的电源输入之间直接用电缆连接，两者之间没有任何器件，而且互连电缆的长度小于0.4 m。这样，在原理上，相当于压敏电阻 RV5 、RV6 与TVS VD 直接并联。由于此TVS的通流量小，相应时间最快，故在这种情况及过电流的作用下，TVS 由于相应速度较快，故先导通。

当大部分的能量流过该TVS 时， TVS 发生了过流损坏。损坏后，后一级电路也无法得到保护，出现风扇损坏的现象（转速变慢）。在此状态下，浪涌测试时，设备总电源入口防雷电路输出后的残压在150 V 以上。

在浪涌保护器件中，气体放电管的特点是通流量大，但是响应时间慢，冲击击穿电压高； TVS 的通流量小，响应时间快，电压钳位特性好；压敏电阻的特性介于这两者之间。

压敏电阻的工作原理是当其两端的电压超过一定幅度时，电阻的阻值降低，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压的幅度限制在一定的幅度。

它的优点是峰值电流承受能力较大，价格低；缺点是钳位电压较高（相对于工作电压），随着受到浪涌冲击的次数增加，漏电增加，响应时间较长，寄生电容较大。

瞬态抑制二极管 (TVS) 是其两端的电压超过一定幅度时，器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压的幅度限制在一定的幅度。

其优点是响应时间短，钳位电压低（相对千工作电压）；缺点是承受峰值电流较小，一般器件的寄生电容较大，如在高速数据线上使用，要用特制的低寄生电容器件。而气体放电管的工作原理是当其两端电压超过一定幅度时，器件变为短路状态，从而将浪涌能量泄放掉。

优点是承受电流大，寄生电容小；缺点是响应时间长，由于导通继流维持电压很低，因此会有跟随电流，不能在直流环境中使用（放电管不能断开）。在交流中使用时也要引起注意（跟随电流会超过器件的额定功率值），可以在泄放电路中串联一个电阻来限制电流幅度。放电管的寿命约为 50 次，随后导通电压开始降低。

当一个设备要求保护电路具有整体通流量大，又能够实现精确保护的时候，保护电路往往需要这几种保护器件之间进行很好的配合使用来实现比较理想的保护效果。

但是这些保护器件之间不能用简单的并联来达到分级保护的目的。若将通流量等级相差较大的压敏电阻和TVS 直接并联， 即使压敏电阻通流量的选择可以满足设备总浪涌保护的要求，在浪涌过电流的作用下，TVS 也会先发生损坏， 无法发挥压敏电阻通流量较大的优势。其原因是TVS 的导通较快，而且在TVS 导通以后，在压敏电阻导通之前，又没有东西来阻挡大电流的＂侵袭＂，导致 TVS 不能承受过大的浪涌电流而损坏。

因此在直流电源的浪涌保护电路设计中，在几种保护器件配合使用的场合，经常需要电感、导线等在两种元器件之间进行配合。电感、导线本身不是浪涌保护器件，但是在两个保护器件组合构成的保护电路中可以起配合的作用。

其实导线在实际应用中也利用寄生电感的特性。其原理与电感是一样的，而且可以解决电感直流额定通流量较小的问题。经验值， 1m 导线长的寄生电感为1 ~ 1. 6 µH。

【处理措施】

在风扇工作电路的电源入口处 (TVS 前级）串联一个电感， 电感量为 7 µH , 试验结果

正常。

【思考与启示】

(1) 气体放电管、压敏电阻、TVS 各有其优、缺点， 在设计保护电路时应各司其职。

(2) 浪涌保护器件不是随便可以加的， 要兼顾“前后”，否则适得其反，特别是分别开发的电路板。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》