| 電源產品的雷擊防制 |
| 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/網絡）等進入電源產品（Power supply） ,此異常能量造成產品內部的組件損毀。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。 為了驗證產品對雷擊防制的耐受程度 , 因此IEC 針對不同的產品定出的雷擊測試規范（IEC-61000-4-5） , 表就針對不同產品所訂定的規范。 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） （圖二） 與短路電流（short circuit current） （圖三） : 雷擊的測試項目主要針對電源火線（L）,地線（N）,地（E）進行不同組合測試主要測試 項目有四種（L??E , N??E, L&N??E, L??N）, 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, L&N??E 測試屬于共模（Common Mode） B. L??N 測試屬于差模（Differential mode） 以下是做雷擊測試時Common Mode 和Differential mode 的路徑如圖四所示 圖四 共模的雷擊對策: （Common Mode） 共模雷擊能量泄放路徑,（參考圖四綠線） ,先考慮跨初、次會因距離不足而造成其雷擊跳火或組件損壞的路徑有那些?（變壓器 /光耦合器 /Y-Cap）針對這三個組件選擇與設計考慮如下: 1. 變壓器: 因變壓器橫跨于初、次組件, 依照工作電壓有不同的安規距離要求, 般采用Class B 的等, 零件本身初次需通過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絕緣強度。 2. 光耦合器: 組件本身的距離需安規的要求, layout 時零件下方不可有Trace 避免距離不足的問題。 3. Y-Cap: 本身的特是頻低阻抗的組件,當共模雷擊測試時,能量會通過Y-Cap所擺放的路徑, 因此layout 布局時半導體組件（PWM IC , TL431, OP…） GND trace 應避開Y Cap 雷擊能量泄放路徑, 以避免成零件的損壞 差模的雷擊對策: （Differential） 雷擊能量流經的路徑主要在橋式整流器前的L 和N 回路, 主要對策如下: Varistor（MOV） 或 Spark Gap（雷擊管）吸收等組件吸收并抑制能量流入power supply 內部。 1. Thermistor （NTC） :串接于L or N 的路徑上,會增加回路的阻抗值,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, 使用上并聯于L 和N 上,組件本身為個阻抗的組件,在般的情形下并不會有損耗產生,只有稍許的漏電流,當瞬間的雷擊電位進入電源輸入端且過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 : 使用上并聯于Common Choke 同次側的兩端,針對雷擊所產生的動作保護原理當瞬間的電位在Common Choke 兩端過其額定的電壓時會激發惰氣體, 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layout 上規劃出鋸齒狀的銅箔形式,兩端距離約1mm,當Common Choke 兩端的壓差太大時,產生放電的現象,將能量進而宣泄。 除了上述設計上所應注意的地方之外, Layout 上如何達到對電擊的防制亦是重要環 1. 地線（Ground） 的處理,如圖五所示, A. 次側的部分,Ground 的layout 順序大電容的Ground ->??Current -> sensor ->??Y-Cap??次側變壓器輔助繞組Vcc 電容的Ground ->??PWM IC 外圍 組件的ground ->??PWM IC 的ground 。 B. 二次側的部分:1. TL431 的地接至第二輸出電容的地。 C. 二次側Y-cap 的出腳接至二次側變壓器的ground 。 圖五 2. 正端壓部分的處理, 如圖六所示。 圖六 A. L,N 兩線距離2.5mm以上及與E 的距離在4mm以上。 B. 壓的銅箔與低壓的銅箔距離在1.5mm以上。 C. 、二次側的距離在6mm以上。 4. PWM IC layout 的注意事項 ,因PWM IC 相較于其它的組件而言是屬于比較脆弱且易損傷的組件, ,舉例筆者所任職通嘉科技（Leadtrend Technology Corp.）的PWM IC LD7576 產品做個說明（客戶power board 實測可通過6KV surge）,在般的PWM IC 都會定義每支腳位所能承受的zui大電位及負向電壓如圖七所示,所以開始layout 其組件的擺置相形重要。 1. Vcc 的電解電容及陶瓷電容。 2. Cs pin 的陶瓷電容。 3. CT pin 的陶瓷電容。 4. COMP pin 的陶瓷電容。 以上電容都要盡量要靠近IC,以防止瞬間電壓進入PWM IC（尤其是負電壓）。再來就Ground 的處理, 先將PWM IC 之 CT / CS / COMP GND 接在起后,單點進入IC GND,再接至Vcc 電解/陶瓷電容的Ground zui后再接至輔助繞組的Ground。 Absolute Maximum Ratings Supply Voltage VCC -0.3V~30V High-Voltage at HV pin -0.3V~600V COMP, CT, CS -0.3V~7V 對于layout ground 的部分用實例來解釋如圖八所示, Ground 的layout 準則 1. Current sense 電阻直接回到大電容的地。 2. 由大電容的地先到變壓器的地再到輔助繞組 Vcc 電解電容的地。 3. 由輔助繞組 Vcc 電解電容再分出去給光耦合器的地及IC 外圍陶瓷電容的地,zui后接到PWM IC 的地。 撰寫本文的目的是將筆者這幾年在設計電源供應器上針對雷擊防制上的經驗上做個匯整能夠對目前正從事于Power Supply 設計的専業人員有些幫助。 |
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