摘要： 雷電沖擊是造成過應(yīng)力最普遍的原因。一些消費(fèi)電子設(shè)備，例如機(jī)頂盒和DVD播放器，通常都會含有調(diào)諧接收器。當(dāng)交流電源線或者天線受到雷擊時，雷電沖擊就會通過這些通路在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生過電壓或者過電流現(xiàn)象。本文向開關(guān)電源(SMPS)電路的設(shè)計者提供一些建議，指導(dǎo)如何恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計SMPS以避免由雷擊造成的故障或者破壞。
關(guān)鍵詞： 雷電沖擊；SMPS；變壓器
引言
消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商在產(chǎn)品量產(chǎn)之前，通常都對產(chǎn)品進(jìn)行雷擊試驗，以確保設(shè)備不會在工作時被雷擊中斷工作甚至損壞。本文向開關(guān)電源(SMPS)電路的設(shè)計者提供一些建議，指導(dǎo)如何恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計SMPS以避免由雷擊造成的故障或者破壞。
雷電沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)概述
歐洲標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-5和日本標(biāo)準(zhǔn)JEC210/212是目前兩種主要的雷電沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)。表1顯示了兩種標(biāo)準(zhǔn)之間的差別。
圖1顯示了雷擊試驗的電流波形。對于一個8~20ms的波形，T1 = 8ms、T2 = 20ms。通常，試驗中沖擊電壓的范圍從±2kV到±16kV，步長為±2kV，施加在電源線之間或一條電源線與被測設(shè)備(EUT)機(jī)架的地之間，即L-N、L-G和N-G。沖擊的功率直接加載到EUT中的SMPS 上，因此必須保證SMPS不會被毀壞，并且在沖擊電壓被施加后還能正常工作。在1990年代初IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)以前，大多數(shù)設(shè)備制造商使用的都是JEC210/212標(biāo)準(zhǔn)。之后，IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛應(yīng)用。
試驗環(huán)境
圖2顯示了雷電沖擊試驗的測試環(huán)境。使用帶有外部SMPS適配器的LCD TV作為EUT。雷電沖擊發(fā)生器是一個能產(chǎn)生特定波形的理想電壓源，它有一個固定的輸出阻抗，參見表1。交流電源通過隔離變壓器對SMPS適配器供電，對于差模沖擊試驗，沖擊電壓施加在SMPS適配器的交流電源線之間，而對于共模沖擊試驗，則施加在一條交流電源線和機(jī)頂盒調(diào)諧器的輸入插座上的地連接之間。在每個電壓步長(2kV-16kV)和每種極性上，分別進(jìn)行5次試驗。
雷擊電壓對IC的干擾
圖3顯示了一個進(jìn)行雷擊試驗的電路實(shí)例。此電路由一個帶有CoolSET-F3 PWM控制器的反向轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。沖擊信號施加在零線和地平面之間。圖中顯示了可能的沖擊電流通路，T1、T2和T3 。I1 是通過位于零線和地之間的Y型電容CY1的電流。通常I1 在橋式整流器前就被限制，因此PWM IC無法檢測。I2 是通過EMI電容C4的電流，I3 是從變壓器次級線圈的地到初級線圈的地之間的電流。如圖所示，I2 和I3 可能會對IC GND產(chǎn)生潛在的影響，具體取決于PCB的設(shè)計。如果IC有引腳直接連到儲能電容正極的高電壓上，則I4也會對IC產(chǎn)生影響。
假設(shè)Z是粉紅色的PCB引線的阻抗，則IC引腳1(Softs)和引腳8(GND)之間的電壓為：
Vsofts_GND=VC7+Z·(I2+I3) (1)
其中，VC7 是軟啟動電容C7兩端的電壓。在雷擊發(fā)生時，它能夠被當(dāng)作一個固定的電壓。由公式(1)可以看出，IC檢測到由I2 和I3引起的噪聲電壓。在FB到GND、Vcc到GND和Isense到GND這些IC的引腳電壓上，也出現(xiàn)了同樣的情況。如果噪聲電壓過高，IC可能會進(jìn)入像保護(hù)模式這樣的錯誤狀態(tài)，甚至被損壞。
針對雷電沖擊試驗的SMPS設(shè)計考慮
PCB的主要地線設(shè)計。IC引腳是否會檢測到噪聲信號，與PCB的設(shè)計密切相關(guān)。因此PCB設(shè)計的方針就是將I2 和I3分流到不會被IC檢測到的其它路徑上。建議對下列地線使用“星形”連接，它們是小信號IC 地線；大電流CS地線；輸入橋式整流器地線；MOSFET散熱器地線；Y電容地線(如果Y電容被連接在變壓器初級線圈地線和次級線圈地線之間)；變壓器輔助繞組地線。如圖4所示，這些地線被分開連接，并在儲能電容的負(fù)極相連。
使用圖4中所示的適當(dāng)?shù)男切芜B接后，I2和I3將不再通過綠色的PCB引線，因此IC引腳間的電壓上不會再出現(xiàn)任何噪聲信號。
在某些情況下，由于在正常工作時，信噪比太低，因此輔助繞組的地線必須直接連接到IC的地引腳，這樣I3在雷擊時不可避免地會影響IC管腳。在這種情況下，一種提高對雷電噪聲抵抗能力的方法就是將與輔助繞組的地相連的PCB引線設(shè)計得盡可能粗，以得到較低的阻抗Z。
初級線圈GND和次級線圈GND之間的Y電容。圖4中Y電容C4的作用是旁路EMI噪聲。除了連到初級線圈的地之外，有時也能將C4連到儲能電容的正極來達(dá)到旁通EMI噪聲的目的。這樣做將雷電沖擊電流I2分流到儲能電容的正極，不會再對IC地電平產(chǎn)生影響。但是，如果出于其它的考慮而不能實(shí)現(xiàn)，那么C4就只能被連到初級線圈的地端，因此就必須使用上星形連接。
變壓器隔離和屏蔽。I3電流的大小由變壓器的隔離電壓決定。如果變壓器的隔離電壓低于雷擊電壓，則會在初級線圈和次級線圈之間發(fā)生瞬時擊穿，并且會產(chǎn)生很大的沖擊電流。除此之外，很大的沖擊電流還會對IC造成干擾，次級整流器的二極管也會在瞬時擊穿時承受很高的電壓應(yīng)力，甚至被毀壞。因此，建議使變壓器的隔離電壓高于雷電沖擊試驗電壓。
變壓器屏蔽有助于減小初級線圈和次級線圈之間的寄生電容，屏蔽層插入到初級線圈和次級線圈之間，并連接到儲能電容的正極。由于屏蔽層更靠近次級線圈，因此次級線圈的GND與屏蔽層之間的寄生電容要大于次級線圈的GND與輔助繞組之間的電容。因此在雷電沖擊試驗時，雷電沖擊電流更可能通過屏蔽層流入儲能電容的正極，而不會流入初級線圈的GND，從而對IC GND造成影響。
其他
大多數(shù)的IC管腳上有一個濾波電容，來抑制由雷擊所引起的RF噪聲。這一電容應(yīng)盡可能地靠近IC引腳以得到更好的性能。
一些像ICE3A(B)S02這樣的IC上集成了啟動單元。如圖3所示，雷擊電流也可能會流入儲能電容的正極。如果啟動單元的引腳直接連接到了儲能電容的正極上，則沖擊噪聲將會通過在儲能電容正極與啟動單元相連的PCB引線發(fā)射出去。因此必須使這根引線盡可能細(xì)，并與其它的小信號引線保持足夠的距離。如果無法滿足上面的要求，則可以在儲能電容的正極和啟動電路單元的引腳之間連接一個100kW的電阻。
