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电源产品的雷击防护技术
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) ,此异常能量容易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。
为了有效验证产品对雷击防护的耐受程度 , 因此IEC 针对不同的产品定出的雷击测试规范(IEC-61000-4-5) , 表一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；参考图二)，以及短路电流(short circuit current；参考图三)
主要测试项目有四种(L→E , N→E, L&N→E, L→N), 一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共模和差模的路径如图四所示
共模雷击能量泄放路径,(参考图四绿线) ,首先考虑跨初、次级会因安全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参考如下:
1.变压器: 因变压器横跨于初、次级组件, 依照工作电压有不同的安规距离要求, 一般采用Class B 的等级, 零件本身初次级需通过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符合绝缘强度。
2.光耦合器: 组件本身的距离需符合安规的要求, layout 时零件下方不可有Trace 避免距离不足的问题。
3.Y-Cap: 本身的特性是高频低阻抗的组件,当共模雷击测试时,能量会快速通过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:
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)等组件吸收并抑制能量流入电源内部。
1. Thermistor (NTC):串接于L or N的路径上,会增加回路的阻抗值,进而降低进入电源的电流能量。
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, 组件本身为一个高阻抗的组件,在一般的情形下并不会有损耗产生,只有稍许的漏电流,当瞬间的雷击高电位进入电源输入端且超过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电源本身。
3.Spark Gap or Gas Discharge Tube: 使用上并联于共模电感同一次侧的两端,针对雷击所产生的动作保护原理当瞬间的高电位在共模电感两端超过其额定的电压时会激发惰性气体, 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电源。
4.在layout上规划出锯齿状的铜箔形式,两端距离约1mm,当共模电感两端的压差太大时,产生尖端放电的现象,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护亦是重要一环：
1. 地线(Ground)的处理,如图五所示
A. 一次侧的部分，Ground 的layout顺序：大电容的Ground→Current sensor→Y-Cap→一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: TL431的地接至第二级输出电容的地。
C. 二次侧Y-cap 的出脚接至二次侧变压器的ground 。
A. L,N 两线距离2.5mm 以上及与E 的距离在4mm 以上。
B. 高压的铜箔与低压的铜箔安全距离在1.5mm 以上。
C. 一、二次侧的距离在6mm 以上。
图六 正端高压部分的处理方式
为了有效验证产品对雷击防护的耐受程度 , 因此IEC 针对不同的产品定出的雷击测试规范(IEC-61000-4-5) , 表一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；参考图二)，以及短路电流(short circuit current；参考图三)
图二 雷击测试方法一：开路电压(open circuit voltage)
图三 雷击测试方法二：短路电流(short circuit current)
雷击的测试项目主要针对电源火线(L),地线(N),安全地(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), 一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共模和差模的路径如图四所示
图四 共模与差模雷击测试路径图
共模的雷击对策:共模雷击能量泄放路径,(参考图四绿线) ,首先考虑跨初、次级会因安全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参考如下:
1.变压器: 因变压器横跨于初、次级组件, 依照工作电压有不同的安规距离要求, 一般采用Class B 的等级, 零件本身初次级需通过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符合绝缘强度。
2.光耦合器: 组件本身的距离需符合安规的要求, layout 时零件下方不可有Trace 避免距离不足的问题。
3.Y-Cap: 本身的特性是高频低阻抗的组件,当共模雷击测试时,能量会快速通过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:
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)等组件吸收并抑制能量流入电源内部。
1. Thermistor (NTC):串接于L or N的路径上,会增加回路的阻抗值,进而降低进入电源的电流能量。
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, 组件本身为一个高阻抗的组件,在一般的情形下并不会有损耗产生,只有稍许的漏电流,当瞬间的雷击高电位进入电源输入端且超过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电源本身。
3.Spark Gap or Gas Discharge Tube: 使用上并联于共模电感同一次侧的两端,针对雷击所产生的动作保护原理当瞬间的高电位在共模电感两端超过其额定的电压时会激发惰性气体, 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电源。
4.在layout上规划出锯齿状的铜箔形式,两端距离约1mm,当共模电感两端的压差太大时,产生尖端放电的现象,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护亦是重要一环：
1. 地线(Ground)的处理,如图五所示
A. 一次侧的部分，Ground 的layout顺序：大电容的Ground→Current sensor→Y-Cap→一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: TL431的地接至第二级输出电容的地。
C. 二次侧Y-cap 的出脚接至二次侧变压器的ground 。
图五 地线的处理方式
2. 正端高压部分的处理, 如图六所示。 A. L,N 两线距离2.5mm 以上及与E 的距离在4mm 以上。
B. 高压的铜箔与低压的铜箔安全距离在1.5mm 以上。
C. 一、二次侧的距离在6mm 以上。
图六 正端高压部分的处理方式