摘要： 雷電沖擊是造成過應力最普遍的原因。一些消費電子設備，例如機頂盒和DVD播放器，通常都會含有調諧接收器。當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備內部產生過電壓或者過電流現象。本文向開關電源(SMPS)電路的設計者提供一些建議，指導如何恰當地設計SMPS以避免由雷擊造成的故障或者破壞。
關鍵詞： 雷電沖擊；SMPS；變壓器
引言
消費電子產品制造商在產品量產之前，通常都對產品進行雷擊試驗，以確保設備不會在工作時被雷擊中斷工作甚至損壞。本文向開關電源(SMPS)電路的設計者提供一些建議，指導如何恰當地設計SMPS以避免由雷擊造成的故障或者破壞。
雷電沖擊試驗標準概述
歐洲標準IEC61000-4-5和日本標準JEC210/212是目前兩種主要的雷電沖擊試驗標準。表1顯示了兩種標準之間的差別。
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備(EUT)機架的地之間，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標準出現以前，大多數設備制造商使用的都是JEC210/212標準。之后，IEC61000-4-5標準得到了廣泛應用。
試驗環境
圖2顯示了雷電沖擊試驗的測試環境。使用帶有外部SMPS適配器的LCD TV作為EUT。雷電沖擊發生器是一個能產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頂盒調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，分別進行5次試驗。
雷擊電壓對IC的干擾
圖3顯示了一個進行雷擊試驗的電路實例。此電路由一個帶有CoolSET-F3 PWM控制器的反向轉換器構成。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產生潛在的影響，具體取決于PCB的設計。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產生影響。
假設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。在雷擊發生時，它能夠被當作一個固定的電壓。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，也出現了同樣的情況。如果噪聲電壓過高，IC可能會進入像保護模式這樣的錯誤狀態，甚至被損壞。
針對雷電沖擊試驗的SMPS設計考慮
PCB的主要地線設計。IC引腳是否會檢測到噪聲信號，與PCB的設計密切相關。因此PCB設計的方針就是將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，并在儲能電容的負極相連。
使用圖4中所示的適當的星形連接后，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地電平產生影響。但是，如果出于其它的考慮而不能實現，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生瞬時擊穿，并且會產生很大的沖擊電流。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引線發射出去。因此必須使這根引線盡可能細，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。
