电源产品的雷击防制技术.PDF

電源產品的雷擊防制技術 作者 ：洪勝群、林玉焜 / 通嘉科技(Leadtrend Technology) 雷擊是大自然界現象，當雷擊中地面或障礙物時，瞬間的突波電壓會藉由傳輸系 統(如電力線/天線/網路)等進入電源產品(Power supply) ，此異常能量容易造成產 品內部的元件損毀。另外 ，在現實生活中 ，電源開關切換與插頭的插拔 ，也有可 能出現類似的瞬間的突波電壓 。 為了有效驗證產品對雷擊防制的耐受程度 ，國際電工委員會(IEC)針對不同的產 品定出的雷擊測試規範(IEC-61000-4-5) ；如下表所列就是針對不同產品所訂定的 規範 。 為了模擬雷擊波形與能量，測試的方式主要分為以下兩種：開路電壓(open circuit voltage ；參考圖二) ，以及短路電流(short circuit current ；參考圖三) 。 圖二 雷擊測試方法一：開路電壓 圖三 雷擊測試方法二 ：短路電流 雷擊的測試項目主要針對電源火線(L) 、地線(N) 、安全地(E)進行不同組合測試 ， 主要測試項目有四種(LE 、N E 、LNE 、LN) ，一般設計考慮上分為共 模(Common Mode)與差模(Differential mode)兩大類 ： A. LE ，N E ，LNE 測試屬於共模 ； B. LN 測試屬於差模 ； 以下是做雷擊測試時Common Mode 和Differential mode 的路徑 ，如圖四所示 ： 圖四 共模與差模雷擊測試路徑圖 共模的雷擊對策 共模雷擊能量洩放路徑(參考圖四的綠線) ，首先得考慮橫跨初 、次級 ，會因安全 距離不足而造成其雷擊跳火或元件損壞的路徑有那些？以下是變壓器/光耦合器 /Y-Cap)這三個零組件的選擇與設計考量： 1. 變壓器──因變壓器橫跨初、次級元件，依照工作電壓有不同的安規距離要 求 ，一般採用Class B 的等級，零件本身初次級需通過Hi-POT 3000Vac ，需 特別注意腳距離與鐵心的距離以及繞組每層膠帶數量是否符合絕緣強度 。 2. 光耦合器──元件本身的距離需符合安規的要求 ，layout 時零件下方不可 有Trace 避免距離不足的問題 。 3. Y-Cap──本身的特性是高頻低阻抗的元件，當共模雷擊測試時，能量會 快速通過Y-Cap 所擺放的路徑 ；因此layout 佈局時 ，半導體元件(PWM IC 、TL431 、OP…) GND trace 應避開Y Cap 雷擊能量洩放路徑 ，以避免 造成零件的損壞 。 差模的雷擊對策 雷擊能量流經的路徑 ，主要在橋式整流器前的 L 和 N 迴路 ，主要對策如下 ： Varistor (MOV)或Spark Gap (雷擊管)等元件吸收並抑制能量流入電源供應器內 部 。 1. Thermistor (NTC) :串接於L or N 的路徑上，會增加迴路的阻抗值 ，進而降低 進入Power supply 的電流能量。 2. MOV (Metal Oxide Varistor ) :金屬氧化物或突波吸收器 ，使用上並聯於L 和 N 上，元件本身為一個高阻抗的元件，在一般的情形下並不會有損耗產生 ， 只有稍許的漏電流 ，當瞬間的雷擊高電位進入電源輸入端且超過 MOV 的崩 潰電壓 ，此時產生抑制電壓的動作 ，而讓瞬間上升電流流經 MOV 本身進行 能量吸收 ，降低雷擊的能量進入Power Supply 本身 。 3. Spark Gap or Gas Discharge Tube : 使用上並聯於Common Choke 同一次側的 兩端 ，針對雷擊所產生的動作保護原理當瞬間的高電位在Common Choke 兩 端超過其額定的電壓時會激發惰性氣體 ，此時Spark Gap 會產生電弧放電 ， 將突波的能量抑制下來 ，不讓大量的能量進入Power Supply 。 4. 在la