E
nvironmental Adaptability&Reliability
环境适应性和可靠性
浪涌防护设计思路与常见防护电路
余海涛，郭远东，李雪玲
（赛宝质量安全检测中心，广州 510610）
摘要：浪涌冲击是电子产品的常见问题之一，它经常造成产品损坏。浪涌防护一直以来是令电子产品设计者头痛的问题。本文从原理上，介绍几种浪涌防护设计的思路与方法，并结合具体案例与电路原理图，进行深层剖析，以期能提供借鉴作用。
关键词：浪涌（冲击）；浪涌抑制器；防护电路；引导；限压；限流；隔离
中图分类号：TN709 文献标识码：B 文章编号：1004-7204（2003）05-0021-04
Surge Protection Design Ideas and Common Protection Circuit
YU Hai-tao，GUO Yuan-dong，LI Xue-ling
（China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute, Guangzhou 510610）Abstract：Surge is one of the frequently asked questions of electronic products, which often leads to product damage. Surge protection is always hard to electronic product designers. This paper introduces several surge protection design ideas and methods, combined with the circuit diagram and specific cases, aiming to provide reference.
Key words：surge；SP；protective circuit；lead；voltage limiting；current limiting；isolation
前言
国外文献的研究结果表明，电子产品超过70%的故障，是由各种各样的浪涌（冲击）造成的。如何有效地进行浪涌抑制，保护好电子产品和设备，一直以来是一个重要的课题。一般来说，防护电路要获得满意的效果，应满足以下两个前提：
1）浪涌抑制器的输出残压在被保护端口的过电压允许范围之内；
2）浪涌抑制器自身具有足够的过电流耐受水平。本文从浪涌防护的设计思路入手，剖析浪涌防护的实质，并列举几种不同应用场合的防护电路。
涌抑制器件。“撬棒”型器件的主要特点是：击穿后的残压很低，有利于浪涌电压的迅速泄放。另外，“撬棒”型器件的漏电流小，极间的电容量小，可以使用在信号线上。
以常见的“撬棒”型器件——气体放电管为例，采用气体放电管进行保护时，需要将放电管安装在被保护器件的输入端，气体放电管的伏秒特性与被保护设备的伏秒特性正确配合，并且其放电电压要比被保护设备允许的冲击放电电压低，这样才能有效的保护电子设备。
由气体放电管构建的信号端口的浪涌防护电路如图1所示。但气体放电管存在放电后“续流”的缺点。压敏电阻的缺点是，随着使用时间的增加漏电流有可能随
1 防护思路1：引导
当电子产品面临大能量的浪涌冲击时，为了避免产品遭受损坏，防护设计中一个比较自然的想法是：将浪涌电流“引导”回源头或大地，不让其进入到产品内部。
搭建这种类型的防护电路，需要用到“撬棒”型浪
之增大，这会严重影响压敏电阻的使用。将气体放电管和压敏电阻配合使用，可以较好的解决两者单独使用带来的问题。这时的浪涌防护电路如图2所示。
如果简单的将气体放电管与压敏电阻串联，那么此时防护电路的反应时间为各器件的反应时间之和。为了
21
2013年10月・环境技术
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此时防护电路的反应时间等于R1的反应时间。
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环境适应性和可靠性
改善防护电路的反应时间，在图2中增加R1压敏电阻。保护作用。常用的钳位保护器有氧化锌压敏电阻（MOV）和瞬态电压抑制器（TVS）等。
图4为交流电源端口的防护电路。G1和G2为气体放电管，Rvz1~Rvz6为压敏电阻，F1和F2为空气开关，F3和F4为保险丝，L1和L2可达到使电路延迟启动的目的。这个防护电路利用了压敏电阻，将浪涌电压“钳位”在合理水平，以达到防护的目的。
该电路的原理简述如下：
第1级防护电路是兼具共模和差模防护的电路。差模防护利用了安装在L-N 之间的压敏电阻。共模防护采用压敏电阻和气体放电管串联的方式。在电路设计和器件选型时，要求第1级防护电路的通流能力较高，通常在几十kA（对于8/20μs波形）。
第2级防护电路的形式与第1级相同。合理设计L1
一个完整的浪涌防护系统，一般由二级或三级防护电路组成。常见的浪涌防护系统采用气体放电管、压敏电阻和TVS 管，利用各种浪涌抑制器件的特点，再配合一些其他器件，实现对设备的可靠保护。
在一个三级浪涌保护电路中，气体放电管通常作为一级浪涌保护器件。它和二级保护器件——压敏电阻一起，将浪涌电流泄放到地。TVS 管作为三级浪涌防护器件，当浪涌到来时，TVS管最先启动，在瞬间把电压控制在可接受的水平，保护后续电路；随着浪涌电流逐渐增大，压敏电阻启动，泄放一定的浪涌电流；而后气体放电管启动，把主要的浪涌电流泄放到地。一个典型的三级浪涌保护电路如图3所示。
2 防护思路2：限压
针对幅值很高的浪涌电压，一种行之有效的办法是：在电路的某一点将电压降下来，达到后续电路能承受的水平，即：将电压“钳”住。要用这种办法，需要借助“钳位保护器”。这种保护器件在被击穿后，其两端电压可以维持在击穿电压而不再上升，以“钳位”的方式起到
2.2mH
R
R230C
信
息设备
和L2的电感值，可以使主要的浪涌电流通过第1级防护电路泄放。第2级防护电路的主要作用，是进一步降低浪涌抑制器的输出残压，以达到可靠保护后级电路的目的。
图5为直流端口的防护电路。其电路原理简述如下：第1级采用两个压敏电阻并联进行差模防护，两个气体放电管并联进行共模防护，这里选用两个器件并联的目的，是为了降低输出残压并增大通流能力。第2级采用压敏电阻和TVS 管并联，将残压继续降低，直到满足后级电路能够承受的要求。图5所示的电路，其优点是具有较低的输出残压，适用于被保护电路抗过电压水平很低的情况，以及需要高保护等级的场合。
图4和图5的两个例子可以说明一个事实：对于采用限压思路的防护电路设计而言，如果需要保护的电路
T
2.2mH
图1 气体放电管在信号输入端口的应用
R2
R1
R3
G
气体放电管
压敏电阻
抑制二极管
图2 气体放电管和压敏电阻配合图3 三级防护电路
Environmental Technology・October 2013
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环境适应性和可靠性
其抗浪涌过电压的能力较弱，那么只采用一级防护电路是不足以进行保护的，往往需要设置第2级防护电路将残压进一步降低。
在该案例中，为了限制流过稳压管的电流，使其不超过最大允许电流Imax，在整流桥到IC “+12V”引脚之间串入一个电阻。理论上，只要该电阻能够成功的限制流过稳压管的浪涌电流，稳压管就应该是安全的。
3 防护思路3：限流
在许多因为浪涌冲击造成产品失效的案例中，失效根本原因分析的结果是：产品的内部器件无法承受过强的浪涌电流。由此产生了一个浪涌防护设计思路：限流。
我们通过一个具体的案例来说明这种思路。某型号的电子式房间电加热器进行电源端口的浪涌抗扰度测试。浪涌脉冲施加在该产品的火线与零线间。结果产品在浪涌脉冲过后出现停机，且伴有元件被击穿的声音。试验结束后，发现产品已经损坏。
对失效电路板的检测结果表明：稳压管损坏导致了整个产品的失效。如果能采取有效措施保护好稳压管，使其在浪涌施加的整个过程中持续工作，这将会解决产品的浪涌防护问题。
从“限压”的防护思路出发，为了将整流桥输出端口处的浪涌电压进一步降低，以达到后续电路可以接受的水平，尝试更换压敏电阻规格，同时再并联一个压敏电阻。但经过多次的组合试验，结果都令人失望。究其原因，是因为压敏电阻的残压，几乎不可能降到后续电路能够承受的水平。也就是说，通过并联压敏电阻，即单纯采用“限压”的方式来解决浪涌抗扰度问题，在某些情况下并不是万能的。
经过试验，最终选择了参数为1500Ω/5W的电阻。该电阻满足产品正常使用的条件，对产品的功能没有影响。串联该限流电阻后，产品通过了浪涌抗扰度试验。图6为整改后的房间电加热器控制板的电路图，电阻R14即为增加的限流电阻。
4 防护思路4：隔离
这种思路是通过选用特殊器件，采用器件两端电路相“隔离”的办法，实现浪涌防护的目的。例如：变压器、光耦和继电器。在浪涌防护设计中，可以利用这些器件的隔离特性，来提高端口的抗过压能力。
图7是一个用变压器实现“隔离”的防护电路示意图。在线路上设置隔离元件时，需保证隔离元件两边的电路不共用地线。当浪涌来临时，瞬间过电压会施加在隔离元件的两边。只要隔离元件本身不被绝缘击穿，线路上的浪涌过电压就不能够转化为过电流进入设备内部。这就是“隔离”设计的防护思路。
图7表示的，是一种将信号传输变压器结合在内的信号端口的防护电路设计方法。采用这种设计方法，需要注意的是：变压器、光耦和继电器等元件，本身的绝缘耐压能力应很高，否则，在过电压的作用下很容易发
+48V
F1
L1
F2
Rvz1Rvz2Rvz3T1
G1
PE
图
4 交流电源端口的防护电路
G2
图5 直流电源端口的防护电路
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2013年10月・环境技术
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图6 房间电加热器控制板电路图
建议将其中至少两种思路和方法并用，浪涌防护问题便
端口
可迎刃而解，产品的浪涌防护效果也得以大幅提高。
接口芯片
变压器
图7 用变压器实现隔离
参考文献
[1] GB/T17626.5-2008，浪涌（冲击）抗扰度试验[S].
[2] 郑军奇. 电子产品设计EMC 风险评估[M].北京：电子工业出版社，
生绝缘击穿。另外，利用变压器的隔离特性时，需要注意到变压器的初/次级间存在分布电容。在某些情况下，共模过电压可通过分布电容进行耦合，这就破坏了变压器的隔离效果。因此，推荐选用带有屏蔽层的变压器，并将屏蔽层接地。
2008.
[3] 郭远东. 与电信端口相关的电磁兼容干扰和防护设计[J].环境技术，2011，29（4）：12-15.
[4] 朱文立，陈燕，肖猛，郭远东. 电磁兼容设计与整改对策及案例分析[M].北京：电子工业出版社，2012.
[5] 陈武龙. 房间电加热器浪涌抗扰度案例分析[J].安全与电磁兼容，2009（3）.
作者简介
5 小结
以上我们总结了四种浪涌防护设计思路，并给出了相对应的防护电路原理图。需要注意的是，在某些情况下单独使用这四种方法中的任何一种，可能都不会起到很好的保护效果。这是因为电子产品电磁环境的复杂性，和单一方法的局限性共同决定的。例如，在“房间电加
热器”案例中，单纯的“限压”并未解决问题。此时，
余海涛（1980.10- ）男，毕业于广东工业大学自动化专业，学士学位。现任工业和信息化部电子第五研究所质量安全检测中心电磁兼容室责任工程师，主要从事电磁兼容检测与研究工作。
郭远东（1985.1- ）男，毕业于北京理工大学自动化专业，学士学位。现任工业和信息化部电子第五研究所质量安全检测中心电磁兼容室高级项目工程师，主要从事电磁兼容检测与研究工作。
李雪玲，女，四川省资阳市人，工业和信息化部电子第五研究所赛宝质量安全检测中心电磁兼容室高级项目工程师，现主要从事电子产品认证、电磁兼容检测及技术研究工作。
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浪涌防护设计思路与常见防护电路
余海涛，郭远东，李雪玲
（赛宝质量安全检测中心，广州 510610）
摘要：浪涌冲击是电子产品的常见问题之一，它经常造成产品损坏。浪涌防护一直以来是令电子产品设计者头痛的问题。本文从原理上，介绍几种浪涌防护设计的思路与方法，并结合具体案例与电路原理图，进行深层剖析，以期能提供借鉴作用。
关键词：浪涌（冲击）；浪涌抑制器；防护电路；引导；限压；限流；隔离
中图分类号：TN709 文献标识码：B 文章编号：1004-7204（2003）05-0021-04
Surge Protection Design Ideas and Common Protection Circuit
YU Hai-tao，GUO Yuan-dong，LI Xue-ling
（China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute, Guangzhou 510610）Abstract：Surge is one of the frequently asked questions of electronic products, which often leads to product damage. Surge protection is always hard to electronic product designers. This paper introduces several surge protection design ideas and methods, combined with the circuit diagram and specific cases, aiming to provide reference.
Key words：surge；SP；protective circuit；lead；voltage limiting；current limiting；isolation
前言
国外文献的研究结果表明，电子产品超过70%的故障，是由各种各样的浪涌（冲击）造成的。如何有效地进行浪涌抑制，保护好电子产品和设备，一直以来是一个重要的课题。一般来说，防护电路要获得满意的效果，应满足以下两个前提：
1）浪涌抑制器的输出残压在被保护端口的过电压允许范围之内；
2）浪涌抑制器自身具有足够的过电流耐受水平。本文从浪涌防护的设计思路入手，剖析浪涌防护的实质，并列举几种不同应用场合的防护电路。
涌抑制器件。“撬棒”型器件的主要特点是：击穿后的残压很低，有利于浪涌电压的迅速泄放。另外，“撬棒”型器件的漏电流小，极间的电容量小，可以使用在信号线上。
以常见的“撬棒”型器件——气体放电管为例，采用气体放电管进行保护时，需要将放电管安装在被保护器件的输入端，气体放电管的伏秒特性与被保护设备的伏秒特性正确配合，并且其放电电压要比被保护设备允许的冲击放电电压低，这样才能有效的保护电子设备。
由气体放电管构建的信号端口的浪涌防护电路如图1所示。但气体放电管存在放电后“续流”的缺点。压敏电阻的缺点是，随着使用时间的增加漏电流有可能随
1 防护思路1：引导
当电子产品面临大能量的浪涌冲击时，为了避免产品遭受损坏，防护设计中一个比较自然的想法是：将浪涌电流“引导”回源头或大地，不让其进入到产品内部。
搭建这种类型的防护电路，需要用到“撬棒”型浪
之增大，这会严重影响压敏电阻的使用。将气体放电管和压敏电阻配合使用，可以较好的解决两者单独使用带来的问题。这时的浪涌防护电路如图2所示。
如果简单的将气体放电管与压敏电阻串联，那么此时防护电路的反应时间为各器件的反应时间之和。为了
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此时防护电路的反应时间等于R1的反应时间。
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改善防护电路的反应时间，在图2中增加R1压敏电阻。保护作用。常用的钳位保护器有氧化锌压敏电阻（MOV）和瞬态电压抑制器（TVS）等。
图4为交流电源端口的防护电路。G1和G2为气体放电管，Rvz1~Rvz6为压敏电阻，F1和F2为空气开关，F3和F4为保险丝，L1和L2可达到使电路延迟启动的目的。这个防护电路利用了压敏电阻，将浪涌电压“钳位”在合理水平，以达到防护的目的。
该电路的原理简述如下：
第1级防护电路是兼具共模和差模防护的电路。差模防护利用了安装在L-N 之间的压敏电阻。共模防护采用压敏电阻和气体放电管串联的方式。在电路设计和器件选型时，要求第1级防护电路的通流能力较高，通常在几十kA（对于8/20μs波形）。
第2级防护电路的形式与第1级相同。合理设计L1
一个完整的浪涌防护系统，一般由二级或三级防护电路组成。常见的浪涌防护系统采用气体放电管、压敏电阻和TVS 管，利用各种浪涌抑制器件的特点，再配合一些其他器件，实现对设备的可靠保护。
在一个三级浪涌保护电路中，气体放电管通常作为一级浪涌保护器件。它和二级保护器件——压敏电阻一起，将浪涌电流泄放到地。TVS 管作为三级浪涌防护器件，当浪涌到来时，TVS管最先启动，在瞬间把电压控制在可接受的水平，保护后续电路；随着浪涌电流逐渐增大，压敏电阻启动，泄放一定的浪涌电流；而后气体放电管启动，把主要的浪涌电流泄放到地。一个典型的三级浪涌保护电路如图3所示。
2 防护思路2：限压
针对幅值很高的浪涌电压，一种行之有效的办法是：在电路的某一点将电压降下来，达到后续电路能承受的水平，即：将电压“钳”住。要用这种办法，需要借助“钳位保护器”。这种保护器件在被击穿后，其两端电压可以维持在击穿电压而不再上升，以“钳位”的方式起到
2.2mH
R
R230C
信
息设备
和L2的电感值，可以使主要的浪涌电流通过第1级防护电路泄放。第2级防护电路的主要作用，是进一步降低浪涌抑制器的输出残压，以达到可靠保护后级电路的目的。
图5为直流端口的防护电路。其电路原理简述如下：第1级采用两个压敏电阻并联进行差模防护，两个气体放电管并联进行共模防护，这里选用两个器件并联的目的，是为了降低输出残压并增大通流能力。第2级采用压敏电阻和TVS 管并联，将残压继续降低，直到满足后级电路能够承受的要求。图5所示的电路，其优点是具有较低的输出残压，适用于被保护电路抗过电压水平很低的情况，以及需要高保护等级的场合。
图4和图5的两个例子可以说明一个事实：对于采用限压思路的防护电路设计而言，如果需要保护的电路
T
2.2mH
图1 气体放电管在信号输入端口的应用
R2
R1
R3
G
气体放电管
压敏电阻
抑制二极管
图2 气体放电管和压敏电阻配合图3 三级防护电路
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环境适应性和可靠性
其抗浪涌过电压的能力较弱，那么只采用一级防护电路是不足以进行保护的，往往需要设置第2级防护电路将残压进一步降低。
在该案例中，为了限制流过稳压管的电流，使其不超过最大允许电流Imax，在整流桥到IC “+12V”引脚之间串入一个电阻。理论上，只要该电阻能够成功的限制流过稳压管的浪涌电流，稳压管就应该是安全的。
3 防护思路3：限流
在许多因为浪涌冲击造成产品失效的案例中，失效根本原因分析的结果是：产品的内部器件无法承受过强的浪涌电流。由此产生了一个浪涌防护设计思路：限流。
我们通过一个具体的案例来说明这种思路。某型号的电子式房间电加热器进行电源端口的浪涌抗扰度测试。浪涌脉冲施加在该产品的火线与零线间。结果产品在浪涌脉冲过后出现停机，且伴有元件被击穿的声音。试验结束后，发现产品已经损坏。
对失效电路板的检测结果表明：稳压管损坏导致了整个产品的失效。如果能采取有效措施保护好稳压管，使其在浪涌施加的整个过程中持续工作，这将会解决产品的浪涌防护问题。
从“限压”的防护思路出发，为了将整流桥输出端口处的浪涌电压进一步降低，以达到后续电路可以接受的水平，尝试更换压敏电阻规格，同时再并联一个压敏电阻。但经过多次的组合试验，结果都令人失望。究其原因，是因为压敏电阻的残压，几乎不可能降到后续电路能够承受的水平。也就是说，通过并联压敏电阻，即单纯采用“限压”的方式来解决浪涌抗扰度问题，在某些情况下并不是万能的。
经过试验，最终选择了参数为1500Ω/5W的电阻。该电阻满足产品正常使用的条件，对产品的功能没有影响。串联该限流电阻后，产品通过了浪涌抗扰度试验。图6为整改后的房间电加热器控制板的电路图，电阻R14即为增加的限流电阻。
4 防护思路4：隔离
这种思路是通过选用特殊器件，采用器件两端电路相“隔离”的办法，实现浪涌防护的目的。例如：变压器、光耦和继电器。在浪涌防护设计中，可以利用这些器件的隔离特性，来提高端口的抗过压能力。
图7是一个用变压器实现“隔离”的防护电路示意图。在线路上设置隔离元件时，需保证隔离元件两边的电路不共用地线。当浪涌来临时，瞬间过电压会施加在隔离元件的两边。只要隔离元件本身不被绝缘击穿，线路上的浪涌过电压就不能够转化为过电流进入设备内部。这就是“隔离”设计的防护思路。
图7表示的，是一种将信号传输变压器结合在内的信号端口的防护电路设计方法。采用这种设计方法，需要注意的是：变压器、光耦和继电器等元件，本身的绝缘耐压能力应很高，否则，在过电压的作用下很容易发
+48V
F1
L1
F2
Rvz1Rvz2Rvz3T1
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图6 房间电加热器控制板电路图
建议将其中至少两种思路和方法并用，浪涌防护问题便
端口
可迎刃而解，产品的浪涌防护效果也得以大幅提高。
接口芯片
变压器
图7 用变压器实现隔离
参考文献
[1] GB/T17626.5-2008，浪涌（冲击）抗扰度试验[S].
[2] 郑军奇. 电子产品设计EMC 风险评估[M].北京：电子工业出版社，
生绝缘击穿。另外，利用变压器的隔离特性时，需要注意到变压器的初/次级间存在分布电容。在某些情况下，共模过电压可通过分布电容进行耦合，这就破坏了变压器的隔离效果。因此，推荐选用带有屏蔽层的变压器，并将屏蔽层接地。
2008.
[3] 郭远东. 与电信端口相关的电磁兼容干扰和防护设计[J].环境技术，2011，29（4）：12-15.
[4] 朱文立，陈燕，肖猛，郭远东. 电磁兼容设计与整改对策及案例分析[M].北京：电子工业出版社，2012.
[5] 陈武龙. 房间电加热器浪涌抗扰度案例分析[J].安全与电磁兼容，2009（3）.
作者简介
5 小结
以上我们总结了四种浪涌防护设计思路，并给出了相对应的防护电路原理图。需要注意的是，在某些情况下单独使用这四种方法中的任何一种，可能都不会起到很好的保护效果。这是因为电子产品电磁环境的复杂性，和单一方法的局限性共同决定的。例如，在“房间电加
热器”案例中，单纯的“限压”并未解决问题。此时，
余海涛（1980.10- ）男，毕业于广东工业大学自动化专业，学士学位。现任工业和信息化部电子第五研究所质量安全检测中心电磁兼容室责任工程师，主要从事电磁兼容检测与研究工作。
郭远东（1985.1- ）男，毕业于北京理工大学自动化专业，学士学位。现任工业和信息化部电子第五研究所质量安全检测中心电磁兼容室高级项目工程师，主要从事电磁兼容检测与研究工作。
李雪玲，女，四川省资阳市人，工业和信息化部电子第五研究所赛宝质量安全检测中心电磁兼容室高级项目工程师，现主要从事电子产品认证、电磁兼容检测及技术研究工作。
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