防雷电路的设计及其元件的选择应慎重【EMC学习】

【现象描述】

某产品由 24 V 直流电源供电，在直流电源端进行浪涌测试后就会出现保险丝被烧断的现象。更换较大的保险丝后还是出现同样的现象。直接用粗导线短接保险丝后再进行测试，出现“冒烟“现象。初步分析，保险丝被烧断的现象并非由浪涌电流过大所致，原因是 24 V 电源供电电路在浪涌测试后产品内出现了短路现象。

【原因分析】

首先看一下该产品的电源入口电路设计， 如图所示。

该产品防浪涌等级较高，所以接口中并用气体放电管和压敏电阻。实际上，从该电路就可以明显地看出该保护电路存在严重的设计错误，那就是：＋ 24 V 和 PGND 之间直接并接了一个直流击穿电压为90 V 的气体放电管。

气体放电管是一种利用瞬间的气体击穿短路将线路上的过电流旁路到大地实现对后级电路的保护。当暂态干扰消失后，气体放电管需要恢复到开路状态，否则不但气体放电管自身长时间通过大电流会被烧坏，而且应用于电源入口电路时，也会造成电源在设备接口处的短路，从而引发事故，甚至设备着火。因此，应用气体放电管电路的设计应满足一个条件：在正常工作状态下，气体放电管被击穿短路后，可以自动恢复到开路状态，即实现续流遮断。

本案例中所用的气体放电管维持短路状态的两极间直流电压约为20-25 V, 即如果气体放电管导通后， 其两端电压继续维持在20 V以上， 那么气体放电管将是一直处于导通状态， 直到两端电压下降或使气体放电管烧毁。

这个能维持气体放电管短路的电压叫续流维持电压。

当产品电源端口在没有进行浪涌测试时，＋ 2 4 V 和 PGND 间的直流电压始终不超过气体放电管的直流击穿电压(90 V) ，气体放电管两电极为开路状态。电路能够正常工作，并不会暴露出问题。

但当电源线引入浪涌电压时，气体放电管被击穿短路后，气体放电管两极间有24 V 持续的工作电压维持着， 使放电管持续短路不能恢复， 出现保险丝被烧断的现象，即使更换成粗导线后也会出现短路”冒烟“现象。

【处理措施】

根据分析更改设计原理。下图所示为更改后的电源入口电路。

更改后的电源入口电路

【思考与启示】

(1) 电源口的防雷电路设计和元件的选用应非常慎重。供电源电一般都可以提供持续的大能量，防雷电路设计不当可能就会引发用电安全事故，严重时可能引起着火，这比设备遭雷击产生的后果更严重。在电源电路的设计中，安全问题总是第一位的。

(2) 设计浪涌保护电路时，一定要建立在充分理解保护器件特性的基础上，否则可能产生意想不到的后果。

(3) 气体放电管的＂续流遮断＂特性要特别注意，这也是为什么气体放电管只能并接在很低的电压之间的原因。

(4) 气体放电管的失效模式在多数情况下为开路，但是因电路设计原因或其他因素导致的放电管长期处千短路状态而被烧坏时，也可引起短路的失效模式。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》