电缆与连接器(八)

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1、( 上接 2 0 0 9年第 1 期 8 9页 ) 3 4 过压瞬态现 象和 浪涌 的类型 许多瞬态过 压现象产生 的过 和 或过 流都会对 产 品造成损坏或干扰 。 ( 1 ) 静 电放 电( E S D) 当湿度为 2 0 或更 高时 ， 人体 放 电波彤 的上升 时问 通常 小于 1 n s ， 峰 值电压 通常在 8 l 1 5 k V之问 ( 在 某 些环境中可能高达 3 5 k V) 。 E S D电荷转移脉冲通常是一 个单向的脉冲波形， 持续时间为几十纳秒， 但足电路中通 常会存在持续 几毫秒 的阻尼振荡波形 。 E S D的能量很小 ， 但仍足以损坏某些敏感的半导体器件。还有一

2、些其它的 E S D现象， 比如机器 E S D和家具 E S D。E S D也是一种瞬 态传导信号 ，会产生很强的脉冲电场和磁场，强度高达 k V m和 k A m级。 ( 2 ) 快速瞬变脉冲群 电机接触或绝缘失效导致的电弧或火花所引起的传 导噪声是一个宽带信号，最高频率和上升时间取决于火 花与观察点之问导线的长度。在距离火花 1 Il l 或 2 m的 距离， 传导噪声的最高频率可以超过 3 0 0 MH z ， 上升时间 小于 1 I S 。电源线 上的峰值电压可以高达 2 k V， 存一些 大功率工业设 备的开 关过程 巾 ，峰值 电压高达 4 k V， 彳 F 特殊情 7兄下甚至更

3、高 。 脉冲群所包含的能量很 低， 但也足 以损坏某些半导体器件 。 ( 3 )核电磁脉 冲和高空 电磁脉 冲( N E MP和 H E MP ) 起初只有一些军事和通信组织才会考虑这种脉冲， 、 单向浪涌 、 、 。氓” m 阻尼振荡浪涌 | 纛 “- n 一 配电网络故障( 在T频及其谐频上) 振铃波”浪涌 V- k V ， 3 、 nt。： 一 一 1 r _ 一 图 3 A D一些过压瞬态和浪涌信号示例 电缆与连菝器 【 ， 、 ) Ca bl e s an d Co Br l e c t or s Pa r t 8 K e i t h A r m s t r o n g著 李晓辉 译

4、 但现存一些商业或T业部门也开始考虑“ 电子战” 或“ 电 子恐怖主义” 所带来的危害。I E C 6 1 0 0 0 5系列标准就涵 盖 了这种干扰现象 ， 提f f I 了一些 测试 和防护方 法。 【 4 )浪涌 浪涌一般变化较慢但能量很大， 其上升时间在 5 0 I 1 S l 0 s 之间，通常由雷击和电抗器件存储能量的瞬间释 放( 如关闭发动机时转子释放的能量) 引起。浪涌信号的 幅度都以+ k V来衡量， 持续时问从毫秒到数秒都有可能。 不同的环境所产生的浪涌电压和电流波形是不同的， 包 括单 向浪涌 、 阻尼振荡 浪涌和振铃波 浪涌等。 通常用于商业与工业产品的浪涌测试标准是

5、E N I E C 6 1 0 0 0 4 5 ， 它使用单向浪涌波形 ， 并( 以真实的情况 为基础 )假 定交流 电源 线上线一 线 间浪涌信号 的源 阻抗 为 2 Q， 线一 地问浪涌信号的源阻抗为 l 2 n， 在电源线和 地线上的浪涌电流通过 4 2 Q的阻抗在其它导线上感应 出共模浪涌 电流 ， 公共地 上浪涌电流通过的阻抗 为 2 Q。 只有在电缆长度超过 1 0 m时感应浪涌与共地浪涌才值 得关注， 但有时较短的电缆也会感应到显著的浪涌信号。 较低 的浪涌 阻抗意 味着 一个 2 k V的线 一 线 间浪涌 电源电压信号对应的电流就是 1 k A左右。南于电路中 的自感效应，

6、浪涌电压和电流的上升时问会有所不同， 但 是所产生的典型峰值功率都是兆瓦级，一个浪涌信号的 总能量 大约为几十焦耳 ( 足以将 金属壳 封装 电阻中的导 线气化 ， 并在其两端产生爆裂) 。 所以， 浪涌信号带来的主 要问题是过压 、 过流或过热对器件和导线( 比如印制线 ) 的破坏作用， 当然还有对信号和数据的干扰。 ( 5 ) 工频过 压 T频过压是配电系统故障所致，它会引起设备内部 的地电压受到不同强度的丁频电压( 及其谐波 ) 的影响。 如果零线接地( 通常情况 ) ， 零线上也会有同样的过压信 号。过压信号的幅度通常是供电系统火线与零线之问电 压的5 0 ， 但有时会高达 1 0 0

7、 。过压信号的持续时间大 约为几百毫秒甚至数秒， 所以， 即使其幅度远小于前面几 种过压情况， 其总能量却大很多。 高电压供电系统的故障 确实会引起严重的后果， 幸运的是这种情况非常罕见。 如果上述其它过压信号从电源线引到了地线上， 比 如通过火花放电或线一 地间浪涌保护器( S P D) ， 也会引起 1 二 频过压信号。如果电源线与受保护的电路之间意外短 一 一 设一 路， 同样会引起T频过压信号 ， 有时称之为“ 电源串行” ， 它会持续几分钟 、 几小时， 甚至足连续的。 ( 6 ) 其它类型的过压信号 图 3 A E给 了加拿大商业 设备厂商协 会( C B E MA ) 的 I T

8、 I 曲线( 电 容限 曲线 ) ， 该 曲线 及其应用 说明描述 了 1 2 0 V、 6 0 Hz 供电系统的交流输入电压包络，大部分 典型的信息技术设备( 1 q E) 部应符合这样的要求( 功能实 现不会中断) 。I T I 曲线及其应用说明并非用于电子产品 或交流配电系统的设计，但却经常作为分析相关问题的 参考依据。 零 、 丑 1 脚 艇 I 0 0 0 1 0 0 1 I m s 3 m s It 2 0 m s I O 0 5 s l o s稳态 t s 注： 电压波动的持续时 间，以周期 ( r ) 和秒 ( s ) 标示 额定 电压 等效 的均方根 值或峰值 图 3 A E

9、 I TI ( CB E MA】 曲线【 2 0 0 0版本 ) 3 5 浪涌防护 3 5 1 绝缘体的浪涌过压防护 导线 、 接头和变压器等都通过绝缘材料进行防护， 但 这些绝缘材料会受浪涌过压的影 响， 导致干扰 问题 ， 甚至 可能是安全问题 由于重复 出现浪涌 ， 固体绝缘材料会逐 渐老化。即使是浪涌引起的释放到产品机架的电火花也 不会引起直接十扰，但在产品内部这种电火花产生的射 频噪声却是非常严重 的干扰。 所以，绝缘材料至少必须满足相关安全标准 ( 比如 I E C E N 6 0 9 5 0、 I EC 6 0 3 3 5 1 、I E C 61 01 0 1 、I E C 6

10、0 2 0 4 1 、 I E C 6 0 6 0 1 1 等 )中关 于漏 电 、耐压 和电气间隙的要 求， 通常这些要求也有利于提高产品的 E MC性能。 然而， 如果环境叶 l存在的浪涌过压非常高或非常频繁，除非可 以通过电气隔离或浪涌保护器等其它手段抑制浪涌过 压 ， 甭则有必要提高绝缘体的耐 压程度 。 3 5 2导线的浪涌防护 浪涌引发的高强度瞬态 电流会埘 导线造成损坏 ， 所 以需要对其进行适当的防护。如果导线的横截面( C S A) 足够大，它就可以承受强度比持续的额定电流高许多倍 的瞬态电流的冲击。 对于铜导线， 计算其能承受的最大电 流 时间比的公式为： I = 2 9

11、0 x C S A 、 t，其中 ， 为峰值电 流( 单位 为A) ， C S A单位 为 i ll I n z ， t 为 电流 的持续时 间( 单 位为 s ) 。该公 式仅适用于 t 小于 5 s 的情 况 ， 因为随着电 流持续时间变长，热对流和热传导效应就会开始变得显 著 ， 计算也 更复杂 。 对于 P C B ， 1 2 O Z 铜箔 的厚度 约为 1 7 5 Ix m， 1 铜 箔的厚度约为 3 5 m， 2 O Z 铜箔的厚度约为 7 9 m， 将多 层铜箔的总厚度乘以其边长就得到铜箔的 C S A 。比如， 1 O Z 铜箔 ( 3 5 m厚 ) 的宽度 为 0 1 8 i

12、 i m， 要承受 持续时 间达 4 O 的矩形 瞬态电流 ，则瞬态 电流最大 不能超过 2 9 0 A 。 当然， 实际上可能存在波形为矩形的瞬态电流， 所 以使用上式计算导线的浪涌承受能力足有误差的，需留 出足够 的工程裕量 上面给 H 的公式仅考虑 了铜导线的瞬态或浪涌 电流 承受能力( 不会导致导线熔化 ) ， 但电流弓 l 起的高温仍会 破坏导线的绝缘覆层和 P C B介质层 ，导致 P C B分层， 使 电路可靠性降低。 有些厂商为导线产品提供了瞬态电流数据，一般是 持续时间为 l S 的浪涌 电流 。1 S 的持续时间 、 0 5 mm 的 C S A、 标准 P V C绝缘材料

13、 、 工作温度 为 2 5 o c H , ， 最大可承 受的浪涌电流为 5 5 A，该电流不会使导线的温度超过 P V C的有效绝缘温度 1 6 0： 瞬态 电流限值 ( 对于 t 5 S 的情况 ) 与导线的 C S A成 正比， 与瞬态电流持续时问的平方根成反比。 将这种方法 应用于 J 二 面印制线的例子 ： 0 1 8 i l l m宽 、 1 o z 铜箔( 3 5 m 厚 ) 、持续 时间达 4 0 s 的矩形瞬态 电流 ，环境温度 为 2 5 c C。 为保护 印制线或 P C B板不会受到上式计算得到的 最大电流的影响， 有时会使用保险丝， 但是反应速度最快 的保险丝 的反应

14、 时问也不会小于 1 0 ms( 对 E MC而言 ， 这是一种非常慢的浪涌或瞬态信号) ， 并且所有的保险丝 都有一定的熔断时间 ，所 以设计时一定要 考虑到反应最 慢的保险丝。 在环境温度高于 2 5时计算 l叶 J 最大容限电流后 ， 可 以使用高温电缆绝缘材料、 F R 4和其它印制板基材， 保护 导线在承载高强度的浪涌或瞬态电流时不会受损。 另外， 有些 P C B基材 ( 尤其是应用 日益广泛的低 损耗和微波传 输 型基材 ) 的短期温度容限低于 F R 4 ， 那么它 们就只能承 受较低 的瞬态或浪涌电流。 建议使用 u L认可或认证的 P C B材料，尤其是能够 防火、 防烟、

15、 防毒的类型。 3 5 3电机触点 的浪涌防护 过压会引起电机触点间发生电火花 ，由于电弧间隙 的电阻很低 ， 电火花可能会导致触点间隙 导通。 浪涌发生 期问的高电流也会导致电机触点熔合，从而使其无法在 需要断开的时候断开。 同时， 电机触点间的短路还会引起 设备误动作或故障 ， 甚至带来安全隐患 。 一 一 一一 一 一 增大电机触点间隙或使刷浪涌保护器( S P D) 能够限 制触点间最大电压。有些开关和电气触点的问隙能够达 到 8 m m， 它通 常能承受 8 k V的高压 。 许 多开关 和继 电器 能够在触点熔合时改变工作状态。 所以， 要对电机触点进 行浪涌防护， 可以使用 S P D将浪涌电流引向别处 ， 或使 用能主动控制触点状态的器件。 在组合使用 自动开关 、 继 电器和主动控制触点状态的器件时，必须使用位置感应 电路以检查触点是否熔合， 防止后续问题的出现。 3 5 4浪涌防护的最佳方法电化隔离 有许多可以实现电化隔离以进行浪涌防护的方法， 包括 ： 高压光隔离或光耦合， 光线连接 ； 无线 、 红外、 微波或激光语音和数字通信； 使用 电动发 电装置 ； 使用隔离变压器 的即时连续变换 、双变换的 U P S 电源。 电化隔离装置中与浪涌信号