在電子設(shè)備的運(yùn)行過程中，浪涌現(xiàn)象猶如隱藏在電路中的 “殺手”，時(shí)刻威脅著設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行與安全。浪涌通常是指在極短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的大幅電壓或電流波動，其產(chǎn)生原因多種多樣，比如雷電感應(yīng)、電網(wǎng)開關(guān)操作以及大型設(shè)備啟停等。當(dāng)浪涌來襲，過高的電壓或電流可能瞬間擊穿電子元件，如二極管、晶體管等，導(dǎo)致其永久性損壞;也可能干擾電路的正常工作，使設(shè)備出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、誤動作等故障，嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠性和使用壽命。因此，設(shè)計(jì)高效可靠的電源模塊防浪涌電路，成為保障電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵一環(huán)。

浪涌產(chǎn)生的根源剖析

電源模塊中的浪涌電流，主要源于電路中電容元件的充電特性。以常見的開關(guān)電源為例，其輸入部分通常包含由橋式整流器和大電解電容組成的濾波電路。在電源接通瞬間，由于電解電容兩端電壓不能突變，相當(dāng)于短路狀態(tài)，此時(shí)交流輸入電壓直接施加在由橋式整流器和電解電容構(gòu)成的回路中。若恰好在交流輸入電壓的峰值點(diǎn)啟動，回路中的總電阻(包括線路電阻、整流器內(nèi)阻等)相對較小，就會產(chǎn)生幅值極高的輸入浪涌電流。例如，一個(gè)普通的開關(guān)電源，在啟動瞬間浪涌電流可能達(dá)到正常工作電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。

防浪涌電路的核心設(shè)計(jì)要素

防護(hù)器件的合理選型

壓敏電阻(MOV)：壓敏電阻是防浪涌電路中的常用器件。其最大允許電壓應(yīng)大于電源輸出電壓的最大值，以確保在正常工作電壓下，壓敏電阻處于高阻狀態(tài)，不影響電路正常運(yùn)行。最大鉗位電壓不能超過后級電路所能承受的最大浪涌電壓，同時(shí)要保證流過壓敏電阻的浪涌電流在其能承受的范圍內(nèi)。例如，對于一個(gè)輸入電壓范圍為 85VAC - 265VAC 的電源模塊，在選擇壓敏電阻時(shí)，其最大允許電壓應(yīng)略大于 265VAC 對應(yīng)的峰值電壓，如選用最大允許工作電壓為 385VAC 的壓敏電阻較為合適。

瞬態(tài)抑制二極管(TVS)：TVS 反應(yīng)速度極快，能在納秒級時(shí)間內(nèi)對浪涌電壓做出響應(yīng)。但其通流能力相對較小，通常在幾十安培左右。在選型時(shí)，要根據(jù)電路可能出現(xiàn)的浪涌電流大小和持續(xù)時(shí)間，選擇合適的 TVS 管，確保其能夠承受相應(yīng)的能量沖擊，同時(shí)其最大鉗位電壓也要滿足后級電路的保護(hù)要求。

氣體放電管：氣體放電管具有較高的通流能力，可承受數(shù)千安培的浪涌電流。不過，其反應(yīng)速度較慢，且存在弧光效應(yīng)。在交流應(yīng)用中，有可能經(jīng)過半波才滅弧;在直流應(yīng)用中，如果正常直流工作電壓高于弧光電壓，導(dǎo)通后會一直導(dǎo)通直至燒毀。因此，在使用氣體放電管時(shí)，要保證直流電壓的正常工作范圍低于其弧光電壓，并且通常將其作為第一級防護(hù)器件，放置在最接近接口的位置。

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)

串聯(lián)限流電路：在電源輸入回路中串聯(lián)電阻、電感或負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)等元件，可有效限制浪涌電流。例如，串聯(lián) NTC 熱敏電阻是抑制浪涌電流的簡單方法。在開關(guān)電源啟動時(shí)，NTC 熱敏電阻處于常溫狀態(tài)，阻值較高，能夠有效限制電流;電源啟動后，由于自身發(fā)熱，NTC 熱敏電阻溫度迅速升高，阻值明顯降低，可降低正常工作時(shí)的功率損耗。但 NTC 熱敏電阻的限流效果受環(huán)境溫度影響較大，低溫啟動時(shí)，若阻值太大，充電電流過小，開關(guān)電源可能無法啟動;高溫啟動時(shí)，熱敏電阻阻值太小，可能達(dá)不到限制輸入浪涌電流的效果。

并聯(lián)鉗位電路：通過將壓敏電阻、TVS 等器件并聯(lián)在電源輸入或輸出端，當(dāng)浪涌電壓超過其閾值時(shí)，這些器件迅速導(dǎo)通，將浪涌電壓鉗位在一定范圍內(nèi)，保護(hù)后級電路。需要注意的是，TVS 與壓敏電阻不可直接并聯(lián)，否則會因?qū)妷旱突驅(qū)ㄋ俣瓤斓钠骷葘?dǎo)通，導(dǎo)致其燒毀。應(yīng)通過電感或電阻將它們隔開，起到分配電流的作用。

多級防護(hù)電路：為提高防浪涌效果，常采用多級防護(hù)電路。一般將氣體放電管作為第一級防護(hù)，先對高能量的浪涌進(jìn)行初步泄放;壓敏電阻作為第二級防護(hù)，進(jìn)一步鉗位電壓;TVS 作為最后一級防護(hù)，對殘留的浪涌電壓進(jìn)行精細(xì)處理，保護(hù)需要保護(hù)的器件。

實(shí)用的防浪涌電路設(shè)計(jì)方案

基于 NTC 熱敏電阻的防浪涌電路

在該電路中，NTC 熱敏電阻串聯(lián)在電源輸入回路中。當(dāng)電源開啟時(shí)，NTC 熱敏電阻的高阻值限制了浪涌電流的大小。隨著電路工作，NTC 熱敏電阻溫度升高，阻值降低，對正常工作電流的阻礙減小。例如，對于一個(gè) 12V、1A 的小功率電源模塊，可選用常溫阻值為 10Ω、額定功率為 5W 的 NTC 熱敏電阻。這樣在啟動瞬間，可將浪涌電流限制在一定范圍內(nèi)，確保電源模塊及后級電路的安全。

采用 MOSFET 的緩啟動防浪涌電路

利用 MOSFET 的開關(guān)特性和緩啟動電路的設(shè)計(jì)，可有效抑制浪涌電流。電路工作原理為：電源接通時(shí)，MOSFET 的漏源極初始不導(dǎo)通，通過由電阻、電容和齊納二極管組成的延遲電路，使 MOSFET 的柵極電壓緩慢上升，漏源極逐漸導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)對輸入電容的緩慢充電，降低浪涌電流值。當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，MOSFET 的漏源極始終導(dǎo)通。通過調(diào)整延遲電路中電阻和電容的參數(shù)，可根據(jù)實(shí)際需求獲得不同的浪涌電流抑制效果。

多級防護(hù)的綜合防浪涌電路

由氣體放電管、壓敏電阻和 TVS 管組成的多級防護(hù)電路，能應(yīng)對不同強(qiáng)度的浪涌沖擊。氣體放電管位于電路前端，首先承受高能量浪涌，將大部分浪涌電流泄放;壓敏電阻在中間級，進(jìn)一步鉗位電壓;TVS 管靠近被保護(hù)電路，對微小的浪涌電壓進(jìn)行精準(zhǔn)抑制。例如，在一個(gè)工業(yè)控制設(shè)備的電源模塊中，采用這種多級防護(hù)電路，可有效抵抗來自電網(wǎng)的各種浪涌干擾，保障設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)際案例與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

某通信設(shè)備的電源模塊在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常受到雷電感應(yīng)和電網(wǎng)波動產(chǎn)生的浪涌影響，導(dǎo)致設(shè)備頻繁出現(xiàn)故障。通過分析，設(shè)計(jì)人員采用了由氣體放電管、壓敏電阻和 TVS 管組成的多級防護(hù)電路，并結(jié)合串聯(lián) NTC 熱敏電阻進(jìn)行限流。在氣體放電管的選型上，選用了能夠承受 10kA 浪涌電流的型號;壓敏電阻的最大允許電壓為 400VAC，最大鉗位電壓為 1200V;TVS 管則選擇了響應(yīng)速度快、鉗位電壓為 50V 的器件。經(jīng)過實(shí)際測試，該電源模塊能夠成功抵御高達(dá) 6kV 的浪涌沖擊，設(shè)備的故障發(fā)生率大幅降低，穩(wěn)定性得到顯著提升。

電源模塊防浪涌電路的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性工程，需要充分考慮浪涌產(chǎn)生的原因、防護(hù)器件的特性以及電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇。通過合理選型和精心設(shè)計(jì)，能夠有效提高電源模塊的抗浪涌能力，保障電子設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要結(jié)合具體的應(yīng)用場景和需求，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以應(yīng)對日益復(fù)雜的電磁環(huán)境挑戰(zhàn)。