雷電的原理就是這樣,這一塊是帶電的,降到這兩根線上面去。對(duì)地球來說相當(dāng)于一個(gè)分布電容,雷電就是一個(gè)共模信號(hào),相當(dāng)于對(duì)整個(gè)電容進(jìn)行放電。放電有幾個(gè)回路,上面的電流通過電容到達(dá)地,電流通過電容到大地,這是共模電容。這部分電流也通過電容下地,還有一部分通過變壓器分布電容傳到負(fù)載這邊,然后通過分布電容下地。你可以認(rèn)為這個(gè)電容是大地的分布電容,實(shí)際上不跟大地它本身也是分布電容,任何一個(gè)導(dǎo)體只要電位改變就相當(dāng)于一個(gè)電容,比如說你的身體帶電,另外一個(gè)不帶電,兩個(gè)人握手就會(huì)把電荷傳到另外一個(gè)人身上,相當(dāng)于你這個(gè)電容對(duì)另外一個(gè)電容放電,另外一個(gè)相對(duì)來說是充電,是一個(gè)充放電的過程。
除了共模電流以外,還有一個(gè)差模電流,為什么??jī)蓚€(gè)回路都放電的時(shí)候,放電的時(shí)間、強(qiáng)度不一樣,有的放快一點(diǎn),有的放慢一點(diǎn),如果兩個(gè)東西的速度都一樣,任何電位差都是一樣的就不會(huì)產(chǎn)生差模電流了。但是有時(shí)候有一些是中線接地,放電快一些,相對(duì)來說電壓跌得特別快,另外一個(gè)跌得特別慢,就會(huì)產(chǎn)生差模,首先是共模,然后產(chǎn)生差模。
下面講一下共模電壓對(duì)電路的損害。其實(shí)共模電壓對(duì)開關(guān)電容前面的影響不是很大,最大是后面一點(diǎn),通過電壓器分布電路,以前的模式電路電壓用得很低,都是1v-5v左右,納米級(jí)容易擊穿,電容也相當(dāng)小。從里面串進(jìn)去的電壓經(jīng)過濾波不斷的吸收降下來,一般有上千伏,容易把后面的擊穿。在實(shí)踐過程中為了防雷,這幾個(gè)位置最好在上面布一個(gè)雷點(diǎn)電容,對(duì)防雷電擊穿很有效。共模電壓進(jìn)去以后瞬間擊穿,如果電子沒斷開,外面的電流會(huì)繼續(xù)延續(xù)下去把它燒掉,如果備一個(gè)電容上去,共模電容通過電容一下子把它吸收掉,讓幾個(gè)電容互相通電位,幾個(gè)模組不會(huì)那么容易擊穿。 現(xiàn)在很多防雷都是用壓敏電阻或放電器件,我在這里告訴你,最有效的是在排版的時(shí)候,在電源線那個(gè)地方排出一個(gè)放電裝置,這樣既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用,放電管沒有那么大的功率吸收掉雷電的能量,如果排一個(gè)像鋸齒一樣的放電裝置,只要能量不大基本上都能夠吸收。發(fā)電距離一般是6mm,現(xiàn)在規(guī)定低于6mm就不合格,因?yàn)闇y(cè)試的時(shí)候,打火的時(shí)候耐壓2000v,交流2000v,其實(shí)正常放電是10000v/mm,也就是說1000v/cm,要留一定的安全系數(shù),所以不測(cè)你,不到6mm就算不合格,所以一定要6mm,真正打雷進(jìn)來,經(jīng)過放電,電壓輸入進(jìn)來只有6000v。前面輸入電壓是幾十萬(wàn)伏都沒有關(guān)系,一放電它就在6000v的范圍里面,進(jìn)來只有6000v了,其他都放掉。放掉以后吸收才有效,最有效的里面有一個(gè)限流電感,還有共模電流,對(duì)雷電有效。差模會(huì)通過差模電容來吸收,放電是一樣的,有一個(gè)差模,可以用電容吸收。電容上面標(biāo)的是耐壓交流250v,實(shí)際測(cè)的直流耐壓是8000v以上,大家要注意一下。這個(gè)CX標(biāo)的是250v,買的浪涌電壓都在5000v以上,用5000v電壓都打不穿,但是標(biāo)的是250v,這是安全規(guī)定。 [page]
剛才在休息的時(shí)候與大家交流,大家真的很感興趣,熱情也相當(dāng)高,我也希望大家通過這個(gè)機(jī)會(huì)互相認(rèn)識(shí),多多交流,特別是這些經(jīng)驗(yàn)之談在書上是很難找到的。如果還要有更深的研究,我建議你有機(jī)會(huì)去歐洲最大的物理研究所,現(xiàn)在研究的課題與此相關(guān),就是電磁層理論,現(xiàn)在空間物理也好,電磁層理論是最難解決的問題,現(xiàn)在有四個(gè)力,如果能夠把四個(gè)力統(tǒng)一起來,宇宙空間的問題基本上都可以解答。一個(gè)是重力,原來無(wú)法解釋重力如何產(chǎn)生,就有重力層。還有電場(chǎng)力,無(wú)法解釋這個(gè)怎么產(chǎn)生,就有電場(chǎng)力,還有磁場(chǎng)力、合力,如果四個(gè)力統(tǒng)一在一起就可以解決。在書上介紹電磁層,一點(diǎn)點(diǎn)東西都全部解決了,包括量綱都沒有統(tǒng)一,大家都在爭(zhēng)論,電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的量綱都沒有解決。按照電場(chǎng)的強(qiáng)度,原來牛頓用力表示,這個(gè)東西與現(xiàn)在電工學(xué)不搭架了。特別是電流強(qiáng)度通過兩根導(dǎo)線多少,直徑多大、電流多大來量力,這種磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)我們使用有多大關(guān)系?當(dāng)初定下來又不好推翻,現(xiàn)在慢慢引進(jìn)了磁感應(yīng)強(qiáng)度,把磁場(chǎng)強(qiáng)度屏蔽掉了,在電壓計(jì)算里大家都知道磁感應(yīng)力度,還有電場(chǎng)強(qiáng)度慢慢也屏蔽掉了,就是用電位梯度。
下面我們講一些具體的。這是一個(gè)開關(guān)電源,開關(guān)電源被雷劈的時(shí)候,輸入回路基本上都燒了,假如沒燒是什么樣的?可以看看,這是橋堆,這兩個(gè)是Y電容,這里面還有一個(gè)壓敏電阻。這是共模線圈,雷劈以后全部燒了,說明壓敏電阻沒有起到什么保護(hù)作用,兩個(gè)電容都燒了,說明電感相當(dāng)、相當(dāng)?shù)馗?。為了防止雷電,首先前面一定要加一個(gè)能量吸收,比較大的東西,成本相對(duì)來說比較低,像試驗(yàn)站里面的放電裝置,那個(gè)東西沒有地方裝,也貴得很。在硬紙板上面排幾個(gè)鋸齒,中間隔一個(gè)頭就行了。如果中間隔6mm也可以。有一個(gè)一級(jí)電感,電感可以使瞬間上去很快的電壓降下來,突然加一個(gè)1萬(wàn)伏、10萬(wàn)伏,加上去只有這兩端,另外兩端建立不起來,所以剛加進(jìn)去的時(shí)候?qū)纂妬碚f,大部分能量都被吸收掉了。后面經(jīng)過這個(gè)以后,剩余部分通過共膜電容繼續(xù)吸收,吸收完以后還有差模部分,產(chǎn)生的差模部分通過電容把差模吸收掉。共模電容和差模電容具有抑制傳導(dǎo)干擾的作用,對(duì)雷電也有抑制作用,所以很多人也在問,電容接到前面好還是接在后面好?這個(gè)東西看你有什么作用,如果只是為了防EMI電磁干擾的話,接在越前面越好,接在測(cè)試儀表的輸入端最好,接到那里把信號(hào)全部短路掉了,就看不到了。但是對(duì)于雷電,你接到后面要好很多,所以這主要是防雷的,你就不要考慮電磁干擾和EMC了,盡量把兩個(gè)放在后面。
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對(duì)于一些比較貴重的儀器、設(shè)備,在開關(guān)電容電壓器這里最好做靜電比例,在初次級(jí)線圈中間做一個(gè)鋁箔片都可以,包一層,這層不能短路,短路的話變壓器就會(huì)燒掉,包在外面可以短路,包在里面不能短路,包在外面吸收漏電電感,包在里面的主回路里面會(huì)短路,然后把它進(jìn)行接地,這相當(dāng)于可以隔離掉。這個(gè)有一個(gè)教訓(xùn),前段時(shí)間康佳臺(tái)灣裝LCD屏測(cè)試,打了一個(gè)隔離變壓器,后面就是接測(cè)試儀表,每個(gè)月都有一臺(tái)、兩臺(tái)測(cè)試儀表?yè)p壞,查不出原因,最后讓他們把隔離變壓器的中間屏蔽才好。屏蔽以后,進(jìn)一步有機(jī)會(huì)的話,在接頭有連接的地方加一個(gè)磁環(huán),讓共模電壓將磁環(huán)速度放慢,緩沖一下,讓瞬間能量降低,瞬間能量緩慢一點(diǎn),慢慢的過,損傷就會(huì)少很多。所有電路都可以把它看成一個(gè)分布電流,只要某地方電壓電位在改變,對(duì)后面都會(huì)產(chǎn)生充放電,從這上面理解就知道了,如果哪個(gè)地方構(gòu)成回路,如果有一個(gè)高電壓進(jìn)來一直傳導(dǎo)到后面,最后充電,充電可以理解成分布電容,如果沒有這個(gè)也有一個(gè)分布電容在里面,把分布電容放在這里,就比較形象地。就像以前的絕緣長(zhǎng)效濾管一樣,手一摸沒有造成回路也壞掉了,絕緣的濾管很容易壞,一從里面拿出來,手一摸就壞掉,一個(gè)身上面帶正電,或者你作為天線有感應(yīng)電壓,感應(yīng)一下來回充放電就壞掉了。
對(duì)于濾波電容,大家注意前面的EMC濾波,這個(gè)電容不是理想電容,里面有一個(gè)電感,還有漏電電阻,里面有串聯(lián)電阻,電感和電容有沒有產(chǎn)生串聯(lián)諧振?曲線是這樣一條斜線,串聯(lián)諧振相當(dāng)于把信號(hào)短路掉了,信號(hào)短路的阻礙很大,這里面有一個(gè)最佳值,然后成為感線,進(jìn)行EMC電路設(shè)計(jì)的時(shí)候最好用不同的電容進(jìn)行配模,這是0.4的曲線,33nF并聯(lián)就可以保證在上面不是好的,單獨(dú)一個(gè)電容后面覆蓋不到,以后有機(jī)會(huì)我講這些元器件,你們?cè)诖髮W(xué)里面學(xué)的是符號(hào),對(duì)電阻電容基本是不懂的,還有電組電容這方面的問題最多,還有電容,電容來回極化的時(shí)候,速度跟不上外面的變化,會(huì)損耗相當(dāng)大,會(huì)燒壞,特別是脈壓電容,很多人認(rèn)為體積越小越好,但沒有考慮在開關(guān)上容易出現(xiàn)問題。
這是網(wǎng)友提出的一些問題,我放在這里。大家討論一下:
1、防雷是否一定要接地?對(duì)于感應(yīng)雷而言,局部等電位連接是否可以取代接地,設(shè)備能否得到足夠的保護(hù)?
大家想想看,跟前面我們所說的,感應(yīng)雷這個(gè)東西沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的概念說什么叫做感應(yīng)雷。只要打雷的話,外面打雷,窗戶上面的金屬,如果夜間都可以看到放電產(chǎn)生火花,這就是通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的位移電流原理。從原理上來說,三相四線或三相五線,發(fā)電機(jī)有中線接地,設(shè)備使用者的外殼接地是最有效的避雷方法,但現(xiàn)在很多設(shè)備都不接地,沒有辦法接,只有很貴重的進(jìn)口設(shè)備用三相電源,中間那一條地線,地線不是中線,大家要搞清楚。中線雖然是接地的,但在這里不能當(dāng)成地線,地線一定是自己大樓本身的地,而且要量好接地的地線。因?yàn)榈鼐€接進(jìn)去以后,大樓對(duì)外面的電磁層進(jìn)行屏蔽了,大樓相對(duì)來說也是導(dǎo)電的,就算不導(dǎo)電,現(xiàn)在國(guó)家都有安全要求,大樓超過多少層都要加上避雷針,就是防雷的。如果不能接地,你就要考慮充放電的問題。前面最好的共模電容我覺得還是要,我認(rèn)為這個(gè)共模電容最好連接上,不能接大地,要接在外殼上,接到外殼上有什么好處?共模電壓一進(jìn)來,雖然電流沒有通過地放電回路,把電壓舉高起來了,與外面輸入電壓是一樣的,外殼電壓取的一樣,起到了屏蔽作用。如果這個(gè)接地的話會(huì)更加安全,但是地線要足夠粗,回路也足夠,因?yàn)榉烹姷碾娏骱艽螅苋菀谉?。這幾個(gè)東西是經(jīng)過很多年的試驗(yàn),8是很成熟的東西,不管做共模還是防雷都要做上,如果連機(jī)殼都沒有,只是塑料殼,也要考慮這根線接到什么位置最好?是接到里面面積最大的地方,就是公共地面積最大的地方,讓電位舉起來,其他電位差不會(huì)產(chǎn)生很大的電容回路。主要是考慮充放電回路,電流越小越好,兩個(gè)電位差越小越好。
2、我們是做防雷模塊的,在實(shí)際應(yīng)用中,現(xiàn)場(chǎng)通常會(huì)碰到?jīng)]有地可接,這時(shí)我們首先建議客戶做一個(gè)接地系統(tǒng),但如果因?yàn)樵靸r(jià)或者其他原因確實(shí)接地有困難,我們建議客戶把防雷器的地和其他設(shè)備做等電位連接后懸浮,是否妥當(dāng)?
這個(gè)防雷模塊一般都是放電管,一般在外面賣的都是壓敏電阻或者氣體放電管,相當(dāng)于穩(wěn)壓二極管一樣的,比較先進(jìn)一點(diǎn)的就是與硅一樣的,就是電壓超過多少的時(shí)候,壓敏管就導(dǎo)通,或者氣體放電管,壓敏電阻比較便宜,但是最不可靠的。首先壓敏電阻過壓沖擊的時(shí)候,壽命有限的,只有十幾次就不能用了,壓敏電阻是一堆亂七八糟的二極管在里面互相接觸,就是兩個(gè)不同金屬氧化物之間互相接觸相當(dāng)于一個(gè)二極管,以前我們用礦石收音機(jī)或者用礦石整流,就是拿兩塊氧化銅或者氧化礦石連接以后就可以當(dāng)成整流二極管使用,原理是一樣的,里面一大堆氧化鉛,每個(gè)界面都相同,相當(dāng)于一個(gè)二極管,二極管有一個(gè)耐壓,通過里面來控制耐壓的參數(shù)。這種一次擊穿以后二極管壞掉了,選另外一個(gè)渠道。二極管都是哪個(gè)電壓高擊就穿哪一個(gè),另外一個(gè)低的就不擊穿,哪個(gè)電壓高就損壞那一個(gè),然后再損壞另外一個(gè),最多只能損十幾次,壓敏電阻就壞了。用普通穩(wěn)壓二極管功率不夠,分布電容比較大。用空氣的話相對(duì)放電管恢復(fù)時(shí)間很長(zhǎng),點(diǎn)火時(shí)間也長(zhǎng),導(dǎo)通時(shí)間很長(zhǎng),恢復(fù)時(shí)間很長(zhǎng),對(duì)于高速的保護(hù)來不及。比如說作為傳輸線之類的保護(hù)是不行的,過壓以后一導(dǎo)通了,導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間難以恢復(fù)。防雷模塊我建議用在最后面,就是作為后備來使用,就是在IC輸入角可以接輸入輸出接口的位置,在電源輸入的地方絕對(duì)不能用,一個(gè)是用上去沒有效,另外成本很高,作為輸入端用人工排一個(gè)放電裝置,在后面再加上防雷模塊,互相組合起來使用。
3、關(guān)于EMI電磁干擾,我們的防雷元器件是否能夠奏效?還是主要依靠設(shè)計(jì)、合理布局更有效?
按照道理EMI是電磁干擾,避雷元器件按照道理并不聯(lián)系在一起,但EMC濾波里面,與EMC濾波器同樣有防雷功能,就是前面的幾個(gè)電感和共模電容還有差模電容對(duì)防雷都起到作用,大家要理解,EMC濾波是用于設(shè)備上的,但反過來考慮雷電的時(shí)候,你就要把干擾信號(hào)從外面輸進(jìn)來,要這樣考慮了,不能單方面,最好在防雷加上一個(gè)放電裝置加在電感后面,共用共模濾波電容。
4、ESD在PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)有哪些?
ESD一般除了防雷以外,還有一些別的相關(guān)內(nèi)容,里面有一些IC很容易受到周邊電壓比較高的器件干擾或損壞,比如說在電視機(jī)里面,電視機(jī)里面的高壓包產(chǎn)生的高壓是上萬(wàn)的,里面的CPU等模式電路你絕對(duì)不能靠近高壓電源部分,必須遠(yuǎn)離它。以前我們?cè)囘^,都是因?yàn)榕c高壓包靠得太近了,把里面的起動(dòng)器干擾,把里面的數(shù)據(jù)打亂,我們只是在上面貼了一塊示波片,最開始是過濾嘴香煙里面有示波片,我們從垃圾堆里面撿來,應(yīng)急處理往上面貼,讓修理部這樣來應(yīng)付處理。慢慢我們對(duì)這個(gè)東西認(rèn)識(shí)很清楚了,現(xiàn)在很多集成電路采取這種方式,有的在上面帶一個(gè)散熱片,本身可以做屏蔽,或者在上面貼一個(gè)膠紙,膠紙有導(dǎo)電的作用,可以放上去,這是ESD方面的防護(hù)方法。因?yàn)橘N了一塊以后,哪怕電離層很高的打下去都不會(huì)擊壞,所以在貴重集成電路里面,在電路板上面貼一塊有一邊絕緣的,兩邊的絕緣都是零,但是有一塊示波片,外面都有賣,非常方便。現(xiàn)在電視機(jī)里面都大量采用這種技術(shù)。對(duì)于排線的輸入輸出線、信號(hào)線都是靠得越近越好,兩根線一定要找出來哪個(gè)是輸入,哪個(gè)是輸出,電流流進(jìn)去還是流出來的,線靠近得越近越好,里面的面積越縮小越好,如果電流很小,信號(hào)功率很小,盡量用小而不是用大,如果大了分布電容也大,分布電容大的以后容易接受電子干擾和電容損壞,里面的長(zhǎng)效管用眼睛看不到,用放大鏡放大幾百倍也是看不到的,隱線可以看到,里面隱線的電容相對(duì)來說高很多,接一點(diǎn)點(diǎn)正電進(jìn)去以后擊穿了,所以里面的導(dǎo)線越短越好。集成電路的輸入輸出都一般,加了一個(gè)二極管,就是與電容接在一起,本身在電路里面都有保護(hù)作用,如果沒有接到電路里面用手去摸是壞掉的,接到里面有信號(hào)作用了就不會(huì)壞。
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5、在射頻電路中,敏感線路(如數(shù)據(jù)線等)如何保護(hù)?
數(shù)據(jù)線大家都已經(jīng)有很多方法,一般數(shù)據(jù)線最好用差分,將兩根線扭在一起,扭在一起以后一個(gè)流進(jìn)去,一個(gè)流出來,雙絞在一起,外面加一層屏蔽線,外面只有一條接地,不要兩條都接,接一頭就可以了,雙絞線對(duì)電子干擾互相抵消,同一個(gè)方向流出來的電流產(chǎn)生的方向正好相反,互相抵消,差分是最好的,不要接到公共地上,用差分。很簡(jiǎn)單,這個(gè)線加一個(gè)磁環(huán),兩端都加一個(gè)磁環(huán),這個(gè)磁環(huán)對(duì)差模有相當(dāng)?shù)扔诹?,流過的信號(hào)一個(gè)是差模信號(hào),干擾信號(hào)大部分是共模的,加上電感上面對(duì)共模很有效,ESD放電基本上都是共模,加載上面對(duì)ESD起到保護(hù)作用。充放電加一個(gè)小磁環(huán),如果沒有小磁環(huán),用適配器往插頭上一插,瞬間選擇突然充電會(huì)有損壞,不要輕易把磁環(huán)去掉,那就是讓你對(duì)充放電抑制速度的降慢。
6、IC引腳的靜電防護(hù),加什么器件既經(jīng)濟(jì)又有效?
如果不考慮速度,最好是在輸入端加一個(gè)電阻,靠近IC加一個(gè)電容,這只有幾十PU加大,如果信號(hào)頻率很高,盡量想辦法把信號(hào)線的阻耗降低,不要搞得很高。現(xiàn)在一般的信號(hào)線,高頻都是50歐姆,兩個(gè)之間接一個(gè)75安培或50安培的,把阻礙降低,直沖放電就是兩個(gè)電位。75歐姆以上,一根線上面加的1v電壓上去,流過的電流多大?或者說一個(gè)毫安的電流在上面的電壓也很小,因?yàn)镋SD放電的電壓很高,電流很小,放電電壓馬上掉下來,不會(huì)沖擊到集成電路里面去。所以在要求不是特別高上面,盡量把輸入降低。
7、ESD防護(hù)器件什么時(shí)候應(yīng)該放在端口處,什么時(shí)候該放在芯片管角?
保護(hù)單個(gè)集成電路就放在集成電路的地方最好,如果保護(hù)整個(gè)設(shè)備就放在端口。放在集成電路這個(gè)地方,后面那一段照樣有電壓可以感應(yīng)到別的IC上,對(duì)別的IC會(huì)產(chǎn)生損壞,所以你要保護(hù)好IC,就在IC加上ESD的保護(hù),如果對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)的話,所有的接口都加ESD保護(hù)就足夠了,這個(gè)成本是最低的。因?yàn)槟惆褦?shù)據(jù)輸出、輸入接一個(gè)保護(hù),里面本身不會(huì)產(chǎn)生ESD放電,如果里面產(chǎn)生ESD放電早不能過關(guān),ESD放電肯定從外面進(jìn)去的,把所有的口都封住就不會(huì)有問題。所以,我建議你如果從設(shè)備考慮,從成本考慮就接輸入輸出口的地方,為了保護(hù)集成電路,對(duì)其他不管的話就接在集成電路上。