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1、防护电路设计规范,Made by Titan Access/Compliance,2,内容概要（第一部分）,术语和定义 雷电过电压产生机理 设备端口抗浪涌过电压能力 防雷电路中的保护元器件,3,术语和定义（1）,1 防雷器：可安装在设备端口的保护器，防止由外部线缆引入设备的过电压/过电流损坏设备。 2 防雷器的残压：进入防雷器的过电压被限压保护元件钳位后防雷器输出的剩余过电压值。被保护端口自身的抗过电压水平必须高于防雷器的输出残压并有一定的裕量，防雷器才能真正起到保护设备的作用。 3 1.2/50us冲击电压：雷击时线缆上产生的感应过电压的模拟波形，用于设备端口过电压耐受水平测试，主要测试范围
2、：通信设备的电源端口和建筑物内走线的信号线测试。,4,术语和定义（2）,4 1.2/50us(8/20us)混合波：是浪涌发生器输出的一种具有特定开路/短路特性的波形。发生器输出开路时，输出波形是1.2/50us的开路电压波；发生器输出短路时，输出波形是8/20us的短路电流波。 具有这种特性的浪涌发生器主要用于设备端口过电压耐受水平测试，主要测试范围：通信设备的电源端口和建筑物内走线的信号线测试。 5 10/700us冲击电压：雷击时线缆上产生的感应雷过电压的模拟波形。用于设备端口过电压耐受水平测试时用的波形，主要测试范围：建筑物外走线的信号线（如用户线类电缆）的测试。,5,术语和定义（3）
3、,6 8/20us冲击电流：雷击时线缆上产生的感应过电流模拟波形，设备的雷击过电流耐受水平测试用标准波形，主要用于通信设备的电源口、信号口、天馈口。 7 10/350us冲击电流：直流雷电流模拟波形。目前通信设备端口的防雷测试较少使用。,6,模拟雷电过电压波形,1.2/50s 电气电子设备绝缘耐受性能试验用标准雷电过电压波形,7,模拟感应雷电流波形,8/20s 防雷设计和保护装置试验用标准电流脉冲波形,8,雷电过电压产生机理,雷电过电压-直击雷（地电位升高，反击）,Uab=L（di/dt） 取h=10m，I=100KA（10/350s） 假设有4根引下线分流，即I=25KA 则：L=16.7H
4、，di/dt=2.5KA/s Uab 42KV,a,b,R,i,i,h,9,雷电过电压产生机理,雷电过电压-感应雷,10,雷电过电压产生机理,11,雷电过电压产生机理,A Device,B Device,5kA通流情况下，1m平行线缆 上耦合950V电压；2m线平行线 上耦合1.54kV电压。,12,雷电过电压产生机理之地电位反击,13,设备端口抗浪涌过电压能力,设备上连接各种线缆（电源线、信号线）的外端口，需要具备一定的抗雷击过电压的能力。主要有两方面的含义：1、由线缆引入到设备端口的雷击过电压较小时，设备自身的雷击过电压耐受能力应可抵抗得住而不发生损坏。2、由线缆引入到设备端口的雷击过电压
5、较大时，设备的端口需要外加防雷器，这时设备自身的雷击过电压耐受能力应高于防雷器的输出残压值，防雷器才能有效的保护设备。国际电工委员会，国际电信联盟等在设备端口抗雷击过电压测试方面的主要标准是IEC 1000-4-5，ITU-T K系列等等，这些标准是抗浪涌方面的基础标准，另外，ETS 300 386是一个欧洲的通信设备EMC测试行业标准。,14,设备端口抗浪涌过电压能力,1 交流电源口过电压耐受水平 等级I：差模施加2kV电压正负各5次无损坏；共模4kV电压正负各5次无损坏。 测试波形： 1.2/50ms8/20ms混合波。 测试方法：按照IEC 1000-4-5的要求进行。交流供电的通信设备
6、，除满足以上电源口过电压耐受水平外，还应配有交流防雷装置。 2 直流电源口过电压耐受水平 等级I：差模：施加1kV电压正负各5次无损坏；共模：施加2kV电压正负各5次无损坏。 等级II：差模：施加0.5kV电压正负各5次无损坏；共模：施加1kV电压正负各5次无损坏。 测试波形： 1.2/50ms8/20ms混合波， 测试方法：按照IEC 1000-4-5的要求进行。 等级II是通信设备的直流电源口过电压耐受水平的基本要求，所有通信设备的直流电源口都应该达到这一水平。 终端类通信设备，不一定在各种情况下都要求配直流电源防雷器。若终端设备不配直流电源防雷器，其直流电源口过电压耐受水平的要求应达到等
7、级I。,15,设备端口抗浪涌过电压能力,3 信号口过电压耐受水平 建筑物内信号互连线： 等级I：差模：施加2kV电压正负各5次无损坏；共模：施加4kV电压正负各5次无损坏。 等级II： 差模：施加1kV电压正负各5次无损坏；共模：施加2kV电压正负各5次无损坏。 等级III：差模：施加0.5kV电压正负各5次无损坏；共模：施加1kV电压正负各5次无损坏。 测试波形： 1.2/50ms8/20ms混合波， 测试方法：按照IEC 1000-4-5的要求进行。 非平衡线，要进行差模及共模的测试。平衡线，在接口部分没有保护电路的情况下，可以只进行共模的测试。 等级III是通信设备信号口过电压耐受水平的
8、基本要求，室内走线的通信设备信号口（指设备对外的信号口，不包括并柜机架间的互连线，以及板间、框间互连线）都应该达到这一水平。 走线距离可以超过10m，一般不超过的30m的信号线，在没有外加防雷器保护的情况下，信号端口的过电压耐受水平建议达到等级I的要求。,16,设备端口抗浪涌过电压能力,3 信号口过电压耐受水平 在建筑物外走线的信号电缆： 等级I：差模：施加冲击电压4kV设备无损坏；共模： 施加冲击电压4kV设备无损坏。 等级II： 差模：施加冲击电压1kV设备无损坏；共模： 施加冲击电压1kV设备无损坏。 测试波形：10/700ms冲击电压 试验方法：按照ITU-T K.20。 在建筑物外走
9、线的信号电缆，进入机房后首先应经过配线架上保安单元的一次保护。测试信号口过电压耐受水平的要求是：对设备的信号端口自身做测试，需要满足等级II的要求；在信号端口前连接配线架（带保护单元），在配线架前做测试，需要满足等级I的要求。,17,防雷电路中的元器件气体放电管,工作原理：气体间隙放电 主要指标有：响应时间 （数百ns以至数ms ）、直流击穿电压（2050V） 、冲击击穿电压（一般大于600V）、通流容量、绝缘电阻（千M欧以上）、极间电容（小于5pF）、续流遮断时间。,18,什么是气体放电管的续流和遮断,防雷电路中的元器件气体放电管,19,使用气体放电管的注意事项： 1 在交流电源电路的相线对
10、保护地线、中线对保护地线单独使用气体放电管是不合适的 2 在直流电源电路中应用时，如果两线间电压超过15V，不可以在两线间直接应用放电管。 3设置在普通交流线路上的放电管，要求它在线路正常运行电压及其允许的波动范围内不能动作，则它的直流放电电压应满足：min(ufdc)大于1.8UP。式中ufdc直流击穿电压，min(ufdc)表示直流击穿电压的最小值。UP为线路正常运行电压的峰值。 4 气体放电管构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。,防雷电路中的元器件气体放电管,20,防雷电路中的元器件压敏电阻,压敏电阻简介 压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压
11、敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。 压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量(较大，但小于气体放电管)、结电容（几百几千nF ）、响应时间（nS级，快于气体放电管）等。,21,防雷电路中的元器件压敏电阻,压敏电阻设计要点： 1 压敏电阻的压敏电压（min(U1mA）、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，应当有：min(U1mA)大于(1.82)Udc，式中Udc为回路中的直流工作电压。在交流回路中，应当有：min(U1mA)大于(2.22.5)Uac，式中Uac为回路中的交流工作电压。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路
12、中应用时，有适当的安全裕度。在信号回路中时，应当有：min(U1mA)大于(1.21.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言，压敏电阻能够承受两次电流冲击而不损坏的通流值应大于防雷电路的设计通流量。 2 压敏电阻的失效模式主要是短路，当通过的过电流太大时，也可能造成阀片被炸裂而开路。压敏电阻使用寿命较短，多次冲击后性能会下降。因此由压敏电阻构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。,22,防雷电路中的元器件电压钳位型瞬态抑制二极管（TVS）,TVS是一种限压保护器件，作用与压敏电阻很类似。也是利用器件的非线性 特性将过电压钳
13、位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。TVS管的主 要参数有：反向击穿电压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容(高几百几千nF，低几pF到几十pF)、响应时间（pS）等。,23,防雷电路中的元器件电压钳位型瞬态抑制二极管（TVS）,TVS管设计要点： 1 TVS管的非线性特性比压敏电阻好，当通过TVS管的过电流增大时，TVS管的钳位电压上升速度比压敏电阻慢，因此可以获得比压敏电阻更理想的残压输出。在很多需要精细保护的电子电路中，应用TVS管是比较好的选择。TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的，一般用于最末级的精细保护，因其通流量小，一般不用于交流电源线路的保护，直流电源的防雷电路使用
14、TVS管时，一般还需要与压敏电阻等通流容量大的器件配合使用。 TVS管便于集成，很适合在单板上使用。 2 TVS具有的另一个优点是可灵活选用单向或双向保护器件，在单极性的信号电路和直流电源电路中，选用单向TVS管，可以获得比压敏电阻低50以上的残压。 3 TVS的反向击穿电压、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，应当有：min(U1mA)大于(1.82)Udc，式中Udc为回路中的直流工作电压。在信号回路中时，应当有：min(U1mA)大于(1.21.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。 4 TVS管的失效模式主要是短路。但当通过的过电流太大时，也可能造成TVS管被炸裂
15、而开路。TVS管的使用寿命相对较长。,24,防雷电路中的元器件TSPD与PPTC,TSPD (Thyristor Surge Protector Devices) : 过电压电路保护器件有两种类别，箝制和“转折”，或“急剧短路”器件。如金属氧化物变阻器（MOV） 和二极管的箝制型器件在运行中能够让电压上升到设计好的箝制水平以流过至负载。如TSPD和 气体放电管之类的“转折”器件对应于超过击穿电压的浪涌电压情况作为一个分流器器件来工作。 “转折”型器件提供了优于箝制器件的一项优点。对于某个给定的故障电流，在TSPD内耗散的功 率远小于如MOV或雪崩二极管的箝制器件内所耗散的功率，这是由于“转折”
16、器件两端的电压更小。 这样就可使用小尺寸的过电压器件，并使电容值降低，而这正是高速通讯设备极为需要的特性之一。 这种基于芯片的器件能够对击穿电压进行精确的设置，并且不会在多次故障事件后 降低等级。TSPD还可以按照SMB的表面安装封装进行供货，有助于节约部件密集的 印刷电路板上的空间。 在电压超过器件“转折”所需的击穿电压时，将导致一个低阻抗路径的形成，从而有效地 对过电压状况进行短路。器件将在流经它的电流降低到其保持额定值以下前保持在这种 低阻抗状态下。在过电压事件发生后，器件将恢复成高阻值状态，实现正常的系统运 行。,25,防雷电路中的元器件TSPD与PPTC,TSPD 应用注意事项：,1. 击穿电压：决定器件在哪一点应当从高阻抗转入到低阻抗，以保护负载。需要进行保护的最低电压是多少，最大击穿电压必须小于此值。
