保证敏感计算机系统高质量电源的基本要求是电涌防护应设计正确并

MichaelJ.Coyle美国MCG电子公司DeerPark,NewYork前言保证敏感计算机系统高质量电源的基本要求是电涌防护应设计正确并协调配合，以消除雷电击中电源线所导致的设备损坏。交流电源线上的电涌防护装置（SPD）的容量、位置和安装都合适才能实现昀好的保护。但是，即使交流电涌防护装置安装得合理，也可能对I/O通讯接口带来不利的影响。大量的实例分析已经确证连接于交流电源线和通讯线上的未加保护的敏感电子设备会受到交流电源线上的雷电和开关投切的瞬态过电压导致的破坏。精密的电子设备无不依赖于高密度的半导体元件。当今更高密度的微处理器设计要求更细的线路和更紧密的空间，并且他们工作的电压也更低，更敏感。但是，大自然并没有因此而减少其闪电的频繁程度和强度。很显然，有必要将这些百万焦耳的能量源（雷电）分流掉，以保护那些对百万分之一焦耳的能量都很敏感的集成电路。使用电涌防护器（电源线的和数据线的）的努力并非完全有效，:[phone]:[phone]Email:[e-mail]不治本的方案，更根本的原因是没有整体化看待这个问题。本文运用了一个简化的但却高度实用的瞬态过电压环境模型，该模型将自然环境（译注：指大气过电压。）和典型电气系统简化为等效电路。这一方法确定出了电气分配系统中的关键点，并指出了如何对电源线和I/O通讯接口进行有效的保护。这里给出的系统透视图也提出了如何运用现在可应用的电涌防护器达到昀大的保护效果。自然和系统的等效电路将自然环境和相关的设备系统简化为等效的电路可得到一个简化的瞬态过电压环境模型。等效电路可显示由瞬态过电压产生的电流当到达建筑电源入口时是如何传导至系统内的各不同点的。弄清了瞬态电流的流向就可以找出经济可靠的保护方法。如图1所示，雷击一般会进入电源线并产生沿电源线向两端传播形成瞬态的电涌电流，直到到达配电变压器的一次绕组。这一电流中的一部分会由配电变压器的MOV避雷器泄放入地。其余部分将继续，进入电气设施，然后通过建筑的接地系统返回云层下的大地。图1雷电对电源系统的闪击Website:[phone]:[phone]Email:[e-mail]图2显示的是这一自然环境和电源系统的等效电路。图中显示出瞬态电流I包含两个部分，IA和IB。进入建筑的IB是唯一要考虑的电流。图2电源系统的等效电路人身防护人员的安全是首要的和昀基本的。图2显示出电流IB通过L1和地电阻RB产生一危险的电压VH。L1是从系统接地母体到建筑物接地点间(接地极)导线的电抗。如果下水系统用的是塑料管，那么相当于存在两个不同触点的接地，这样危险电压就会出现在设备外壳和水冷器之间。电源线上电涌电流保护装置(SPD)的存在实际上可能会增加人员的危险，因为它提供了一个更好的瞬态电流向地的途径。现在更大的IB将在L1和RB上产生更大的电压。危险电压可这样估计，假设瞬态电流为10,000A(8/20ms)，较低的对地电阻1欧姆和较低的地线电感0.1微亨。V危险=VL1+VRB=L1´dIB/dI+IB´RB=0.1mh´10,000A/8ms+10,000A´1=125V+10,000V=10,125伏确实很危险。Website:[phone]:[phone]Email:[e-mail]两个简单的建议可以有效地消除雷击对人员安全的危害：将下水管道与建筑的接地在图2中的B点连接。避免使用塑料下水道。交流电源线的考虑当配电变压器的MOV避雷器将电涌电流IA向地分流的同时，连于电源上的系统设备将承受瞬态电涌电流IB。一个位于建筑主配电盘处的大小合适的电涌防护器P将立即将瞬态电流IB通过L1分流向地。这可将出现在负载上的瞬态电压限制在安全的水平。优化性能电涌防护器一般都是以并联方式与被保护的设备一同使用，提供一条低阻抗的对地通路。图3清楚地显示出并联式防护器的有效性。等效电路说明了SPD的阻抗ZP与整个电源系统的阻抗、电缆和分配变压器的特性的关系等。3瞬态电压VL的值在ZP减小而Z增加的情况下减小。ZP两端的钳制电压将出现在负载两端。下面是减小ZP和增大Z的推荐方法。Website:[phone]:[phone]Email:[e-mail]减小分流阻抗ZP：从电涌防护器到配电盘的导线是有感抗的（LW），它对保护系统的钳制电压的不良影响见图4。电缆上的电压降可以用两种方法减低。图4通过减小Lw和Zp来减小分流阻抗连接到SPD的一般电缆的长度是关键，一定要减至昀小。A.可使用短的直接的导线－#10-12AWG是可接受的。B.将导线全部绞捻在一起并用胶带缠好。Micro-Z电缆连接是一个达到低导线电压降的更好方法。通过对布线方法的小心控制，Micro-Z电缆连接将导线电压降减低到只有一般导线的30%。该技术使用交错排列的相线和中性线（3条中性线）。相线和中性线都围绕一条位于核心的地线。图5显示了Micro-Z比一般导线的优越处。图5沿电线的电压降Website:[phone]:[phone]Email:[e-mail]防护器的外壳大小是重要的。从市场上可买到的分流型电涌防护器应具有低的内电感。这很容易确定－电涌防护器的外壳越大，其固有的内部导线的电感也就越大。小SPD的电感小，是值得推荐的。增大串连阻抗，Z：电涌防护器应位于配电变压器的二次侧的建筑物入口处，这样就利用了变压器的漏感电抗和进线的导线阻抗。因使用充分的绝缘和一次侧的避雷器，变压器一次绕组可承受足够大的瞬态过电压。将其它SPD安装于线路下侧接近敏感负载的地方，可很好地利用建筑物内长导线的固有电感。因此，从价格和性能的角度看，这些SPD是非常有效的。电源线保护的建议位于电源线进入建筑物处的大容量SPD，可保护连接于建筑物电源系统的设备不受通过电源进入建筑物的外部电涌的影响。因为建筑内电线的固有阻抗，所以位于线路下侧敏感设备处的SPD可以小很多。位于下侧的SPD可提供中性线和地线间的钳制电压保护，它还可以提供自同一配电箱配电的不同设备室之间的横向保护。通讯线保护图6显示当总瞬态电流IB通过电涌防护器P和地电阻RB时，它会将设施及其内部的设备的电位提高到几千伏。地电位的这一变化导致一个二次雷电电流Ic，它可导致在其通路上远端和近端的调制解调器、数据输入输出口和电话设备的损坏。正是这一源于电源线的二次瞬态电流IC，导致了绝大多数的通讯I/O口的故障。图6由于雷电电流IB使地电位偏移几乎所有的通讯设备故障都是I/O口的故障。如果数据线防护器(DLP)的位置正确和安装得当，它们可提供很好的I/O口的保护，其可靠性很高。图7是一个理想的I/O口线路。I/O口晶体管Q1的保护可通过使用大电流的雪崩二极管Z1分流IC和限制VQ1至安全水平来实现。如果VQ1小于晶体管Q1的VCE，那么输出晶体管可受到保护。Website:口的理想保护在易受雷击、工作要求严格的场合，当设计大电流防护电路时，应以气体放电管－电阻－雪崩二极管电路来代替雪崩二极管（图10）。图10通讯防护器安装位置建议应重视参考地电位的布线图8的模型所示为一个长达91厘米的参考地电位线。计算表明了晶体管Q1两端出现了110V的电压降，这导致了它的故障。这是由于过长的导线所造成的。:[phone]:[phone]Email:[e-mail]:[phone]:[phone]Email:[e-mail]图8防护器＋长导线＝低劣的防护数据线防护器一定要紧靠着被保护的设备。它的地电位线一定要与设备的地相连。连接线长度一定要在15厘米之内——越短越好。这无论怎样强调都不过分。数据线防护器的安装位置不能正确应用数据线防护器（DLP），是I/O口故障的主要原因。在实际应用中有几个位置可以安装数据线防护器以减少故障。在设备处，装用二级防护器。它们安装容易成功率高。在建筑的入口处，所谓的一次防护。除非满足并保持一定的设施建筑质量的要求，否则这一保护是有问题的。图9a说明了可安装数据线防护器的不同位置。根据安装位置的不同，DLP可造成4种不同的故障电流通路。下面将讨论每种故障情况，以突出其要点。Website:直接在设备处安装数据线防护器(图9b)。这是要推荐的位置。为确保晶体管Q1得到保护，数据线防护器的连线L3的长度一定要在15厘米以内。图9bDLP直接连在I/O口2.在建筑物入口处安装数据线防护器并接向参考地电位总线(图9c)。为确保晶体管Q1得到保护，数据线防护器的连线L3的长度一定要在15厘米以内。另外，地电位总线L4的感抗必须非常低，一般要小于0.1µh。:[phone]:[phone]Email:[e-mail]:在建筑物入口处安装防护器并接至建筑物钢筋(图9d)。为确保晶体管Q1得到保护，数据线防护器的连线L3一定要在15厘米以内，并且建筑物钢筋L4的感抗必须非常低，一般要小于0.1µh。图9dDLP建筑物进口-DLP与建筑钢筋4.安装在建筑入口处并接至就地(单独)的接地极(图9e)。要完全避免这种接法。在数据线防护器附近使用就地的接地，会使I/O口处于极大的地电差变动下——在几千伏的量级上。图9eDLP建筑物进口-DLP与电位差:[phone]:[phone]Email:[e-mail]:[phone]:[phone]Email:[e-mail]数据线防护的作用如何？在1985年，MCG对数据线防护器的故障率做了一次调查，结果为：在130,000个线路中有39个故障，就是说完好率为99.97%；而在这39个中，有30个是雪崩二极管被击穿“短路”，并因此保护了被保护的设备，这就是说，设备保护率高达99.993%。对于各种实际应用来说，大小适宜、安装合理的数据线防护器，将消除I/O口的故障。建议如果对系统完整性的要求高，那么第一选择应是直接安装在设备自身处次级的数据线防护器（如气体放电管－电阻－雪崩二极管做的），并且将数据线防护器的地与机箱用#10-12AWG的短线（短于15cm）。记住，地线越短，保护越好。如果电源线和数据线在同一处进入并且它们的地又连在一起，那么位于建筑入口处的初级通讯保护器可能会有效。但它们是否可在所有的环境下提供可靠的I/O口保护是值得怀疑的。总结Website: