一种弱电电源端口的防护电路及其防护方法与流程

本发明涉及电源端口防护技术，尤其涉及一种弱电电源端口的电快速瞬变脉冲群(electricalfasttransient，eft)、浪涌冲击(surge)防护电路及其防护方法。

背景技术：

传统弱电电源端口的防护电路，大多采用安规x/y电容，通过滤波作用滤除差模/共模干扰的方式来实现。但是这种防护电路的抗干扰能力十分有限，并且由于暂态电压过高，存在电容被击穿的风险。这样，在eft和surge的防护上显然是不足的。因此，基于电磁兼容(emc)性能以及电路可靠性的需要，亟待研发一种新的弱电电源端口的防护技术。

现有的压敏电阻(mov)作为一种常用的eft、浪涌冲击(surge)吸收器件，当电路中的电压发生突变时，压敏电阻会被击穿，其电阻值会急剧减小，对电路中的电流进行分流和泄放。而瞬态电压抑制二极管(transientvoltagesuppressor，tvs)对于尖峰电压有着更快的响应速度，tvs管能够在两极之间吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝位到预定水平，可以快速且高效的应对瞬态过压现象。

因此，在传统安规电容以及共模电感防护的基础上，在研发新的弱电电源端口防护技术时，可以考虑加入压敏电阻与tvs管搭配使用，进一步提升弱电电源端口的防护性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种弱电电源端口的防护电路及其防护方法，旨在通过该防护电路进行多级防护和滤波，以消除共模干扰、差模干扰，实现对eft、surge的防护；并进一步提升防护电路的防护效果。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种弱电电源端口的防护电路，包括依次相连的高压防护子电路、滤波延时子电路、残压吸收子电路和阻尼子电路；

所述高压防护子电路，一端与弱电电源端口相连接，另一端与滤波延时子电路相连，用于对所述弱电电源端口进行高压防护；

所述滤波延时子电路，利用自身产生的延时作用，使所述高压防护子电路先于所述残压吸收子电路产生响应；

所述残压吸收子电路，用于吸收所述高压防护子电路中压敏电阻被击穿后未被完全泄放的残余电压；

所述阻尼子电路，用于增大电感线圈的感抗、产生阻尼作用，抑制共模干扰电流。

其中：所述阻尼子电路后还包括：

共模滤除子电路，用于通过滤波作用消耗和滤除共模干扰电流。

所述高压防护子电路与弱电电源端口的连接方式为：

压敏电阻z1的一端接直流电源正极，另一端接地pe；压敏电阻z2的一端接直流电源正极，另一端接0v地；压敏电阻z3的一端接0v地，另一端接地pe。

滤波延时子电路与所述高压防护子电路相连的方式为：电容c1跨接在压敏电阻z2后级的两端，电感l1的输入脚接电容c1的一端，电感l2的输入脚接电容c1的另一端。

所述残压吸收子电路与滤波延时子电路相连的方式为：

tvs管d3的两极跨接在电感l1、电感l2两个输出脚之间，并且tvs管d1和tvs管d2分别从tvs管d3的两个脚引出接到地pe，电容c2两极接tvs管d3后级的两端。

所述阻尼子电路与滤波延时子电路相连的方式为：

将电容c2两极接一个共模电感l3的两个输入脚。

共模滤除子电路与所述阻尼子电路相连的方式为：

从共模电感l3的两个输出脚引出，串联电容c3、电容c4，所述电容c3、c4的中间接地pe。

一种应用弱电电源端口防护电路的防雷装置。

一种应用弱电电源端口防护电路的电子设备。

一种弱电电源端口的防护方法，包括如下步骤：

a、将待保护的弱电电源端口的一端接入高压防护子电路，将所述高压防护子电路的另一端与所述滤波延时子电路相连；

b、利用滤波延时子电路产生的延时作用，使高压防护子电路先于残压吸收子电路产生响应；

c、通过残压吸收子电路，吸收高压防护子电路中压敏电阻被击穿后未被完全泄放的残余电压的步骤；

d、利用阻尼子电路，增大电感线圈的感抗、产生阻尼作用，抑制共模干扰电流的步骤。

较佳地，所述步骤d之后还包括：

e、利用共模滤除子电路，通过滤波作用消耗和滤除共模干扰电流。

本发明实施例的弱电电源端口的防护电路及其防护方法，具有如下有益效果：

1)本发明的防护电路采用多级防护和多层滤波处理，对差模干扰和共模干扰产生的暂态电流以及瞬态高压均具有很好的抑制效果。其中，利用压敏电阻z1、z3被先击穿，击穿后形成的残压由后级tvs管进行钳位保护，而共模电感l3，y电容c3/c4也会对共模起到抑制作用，从而实现共模干扰的滤除；利用压敏电阻z2先被击穿，击穿后形成的残压由tvs管d3钳位保护，电容c1、c2配合电感l1、l2也起到差模低通滤波作用，从而实现差模干扰的滤除。

2)本发明实施例中提供的防护电路适用于为多种场合应用的弱电电源电路提供防护，尤其是对于eft、surge的防护，显著提升了电磁兼容性能。

附图说明

图1为本发明实施例弱电电源端口的防护电路的多级防护架构示意图；

图2为本发明实施例弱电电源端口的防护电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例弱电电源端口防护电路的多级防护架构示意图。

如图1所示，该弱电电源端口防护电路的多级防护架构，主要包括依次相连的多级子电路，即高压防护子电路、滤波延时子电路、残压吸收子电路、阻尼子电路和共模滤除子电路。

图2为本发明实施例弱电电源端口的防护电路原理示意图。

参考图2，该弱电电源端口的防护电路，具体包括：

第一级防护，即高压防护子电路，主要包括压敏电阻z1、z2、z3；

π型滤波，即滤波延时子电路，主要包括电感l1、电感l2、电容c1、电容c2；

第二级防护，即残压吸收子电路，主要包括tvs管d1、d2、d3；

第三级防护，即阻尼子电路，主要包括电感l3；

第四级防护，即共模滤除子电路，主要包括电容c3、c4。

上述电路元件中：z1、z2、z3为压敏电阻；c1、c2为x电容；d1、d2、d3为tvs管；l1、l2为差模电感；l3为共模电感；c3、c4为y电容。

参考图2，本发明实施例弱电电源端口的防护电路，针对现有防护电路emc性能的不足，尤其是实现和提升对eft、surge的防护。

在本实施例中，以下列要保护的弱电电源端口(直流24v电源)为例，如上所述，该保护电路主要包括如下元器件：压敏电阻、安规电容、差模电感、tvs管以及共模电感。通过上述元器件组成的电路实现多级防护，确保后级电路不受eft、surge的破坏。

该弱电电源端口的防护电路结构及其工作原理如下：

本发明实施例的防护电路，包含了四级防护子电路和一级π型滤波子电路，其中：

第一级防护，即高压防护子电路，主要由压敏电阻z1、z2、z3构成，其中压敏电阻z1的一端接直流24v正极，另一端接地pe；压敏电阻z2的一端接直流24v正极，另一端接0v地；压敏电阻z3的一端接0v地，另一端接地pe。实际应用中，所述高压防护子电路，主要用于防止雷电、高压及超高压交流输变电等强电串入弱电电源电路中烧毁电源和与其相连的电子设备。

π型滤波电路，即滤波延时子电路，主要由电感l1、l2、电容c1、c2构成，其中x电容c1跨接在压敏电阻z2后级的两端，电感l1的输入脚接电容c1的一端，电感l2的输入脚接电容c1的另一端。

第二级防护，即残压吸收子电路，主要由tvs管d1、d2、d3构成，tvs管d3的两极跨接在电感l1、l2两个输出脚之间，并且tvs管d1、d2分别从tvd管d3的两端引出接地pe，电容c2两极并联在tvs管d3的两端。

这里，第二级防护中，tvs管的位置可以与π型滤波子电路完美的结合，tvs管d1、d2、d3一定要放在电感l1、l2之后，并且在电容c2和第三级防护电路的电感l3之前。这样设计的理由是：tvs管的响应时间远快于压敏电阻，这样，利用电感l1、l2的电流不能突变的特性，起到延时作用，使高压防护子电路先于所述残压吸收子电路产生响应。因此可以很好地避免第一级防护的压敏电阻未响应而后级的tvs管先响应的问题。

将电容c2及电感l3需放在后一级(阻尼子电路)的原因是：二者在电路中的作用就是以滤波的形式将干扰信号进行抑制和滤除，因为对于大功率的干扰，滤波器件位置太过靠前可能被损坏，失去作用的同时影响整体电路工作，同理，适用于第四级防护电路(共模滤除子电路)的电容c3、电容c4放在电路的最后，将滤波器件尽量排布在后级，从而使防护电路的防护效果、共模/差模干扰抑制效果最佳。

第三级防护，即阻尼子电路，主要由l3构成，电容c2两极接一个共模电感l3的两个输入脚。

第四级防护，即共模滤除子电路，主要由电容c3、c4构成，从共模电感l3的两个输出脚引出，串联两个y电容c3、c4，所述电容c3、c4的中间接地pe，经过整个防护电路的保护和滤波处理，可以将绝大部分的eft、surge干扰消耗或滤除掉，对后级的工作电路起到十分可靠的防护作用。

本发明实施例在元器件的选择上，考虑到由于弱电电源端口的电压为直流24v，为了保有一定的设计裕量，进行降额设计，选择耐压47v的压敏电阻z1、z2、z3，考虑漏电流对使用者的危害性，根据国家对安规电容的要求，漏电流峰值不能超过0.7ma，所以电容取值最大不能超过4.7nf。

本发明实施例中，电容c1、c2、c3、c4选用2.2nf，耐压选择1000v。

本发明实施例中，选用的tvs管d1、d2、d3的钳位电压不能低于输入电源的正常范围上限值，不能高于后级元件的最大耐受极限。本发明实施例中选用的tvs管的最大反向峰值电流为30a，最大钳位电压为49.9v。

本发明实施例中，选用的电感l1、l2为22uh的差模电感，额定电流1.7a，电感l3为共模电感，要选用差模阻抗低的共模电感，额定工作电压80v，额定电流5a，且直流电阻仅为10mω，能够满足设计需求。

本发明在实施中，对于共模干扰起防护作用，主要由压敏电阻z1、z3、tvs管d1、d2、电感l3、以及电容c3、c4实现的。当共模干扰通过电源端口进入电路，先进入电路的一级防护，干扰的瞬态高压会让压敏电阻z1/z3率先被击穿，压敏电阻z1、z3此时的阻抗十分低，会将大部分的过压泄放在大地pe上，但是此时的一级防护很有可能不足以将所有干扰都泄放到大地上，所以在二级防护中添加了d1、d2两个tvs管，用于吸收压敏电阻z1、z3被击穿后未被完全泄放的残压，在前两级防护的基础上，在第三级防护中加入了共模电感l3，由于共模干扰的电流的同向性，会在电感的线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，线圈表现为高阻抗，有较强的阻尼效果，以此来抑制共模干扰电流，从而达到滤波的目的。

最后，再利用第四级防护，即共模滤除子电路的两个y电容c3、c4通过滤波，将共模干扰滤放到大地pe上，经过上述多级电路的防护，共模干扰可以很好的被消耗和滤除，确保了后级的工作电路不会受到影响。

本发明实施例中，对于差模干扰的防护作用，主要由压敏电阻z2、电容c1、电感l1、l2、tvs管d3、电容c2、电感l3组成的电路实现。当差模干扰进入到电源的端口时，先经过一级防护的压敏电阻z2，干扰的瞬态高压会使压敏电阻z2被直接击穿，此时z2阻抗骤降，流过自身的电流急剧上升，差模干扰的能量以大电流的形式被压敏电阻z2的内阻消耗掉，再经过π型滤波处理，其中电容c1、c2作为x电容，配合电感l1、l2两个差模电感，以滤波的形式将差模干扰进行滤除，另外第二级防护的tvs管d3同样可以在共模干扰来临时，会瞬间导通，将电压钳位在预定位置，用来吸收上一级的残余电压，最后，共模电感l3的漏感对于差模干扰的抑制也有十分有效的作用。

传统的电路中，并不会将压敏电阻和tvs管联合运用，由于tvs管的响应速度要远远快于压敏电阻，更多的情况下，共模/差模干扰是靠tvs管将电压钳位住，压敏电阻并不能发挥它应有吸收的作用，针对这种情况，本发明的电路设计中很好的解决了这个问题。首先，tvs管d1、d2、d3一定要放置在差模电感l1、l2的后级，由于差模电感l1、l2电流是不能够突变的，能够延缓干扰到达tvs管的时间，尤其是对于瞬态高压tvs管的响应速度要快于压敏电阻的，如果tvs管前端没有设计电感l1、l2，当干扰的瞬态高压进入电路时，等不到第一级防护中压敏电阻响应，后级的tvs管就率先导通，此时的第一级防护就失去作用，起不到防护效果。同时，将两个差模电感配合两个x电容，组成了π型滤波电路，保证了压敏电阻和tvs管都能正常响应的同时，还能够平滑电路电流，使tvs管的钳位更加准确。

tvs管d3所在的位置尽量要放在电容c2之前，因为电路的防护和滤波的规则中，要做到先防护、后滤波，否则在没有做好防护的前提下，先进性滤波，一旦后级电路被共模/差模干扰所损坏，前一级的滤波就失去了意义，并且容易损坏滤波器件，达不到防护效果，因而也不符合防护电路的设计初衷。

本发明实施例的所述所述弱电电源端口的防护电路，可应用在防雷装置中，也可应用在使用二次电源作为后备电源的多种电子设备上，所述电子设备包括但不限于无线通信基站、微波通信地面站和卫星通信地面站等。

针对弱电电源端口进行eft、surge防护，在不脱离本申请的防护电路设计思想的前提下，还可以演变出多种防护电路，同样能够达到本实施例的技术效果，均应当视为属于本发明防护电路的专利保护范围。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。