电源浪涌保护电路的制作方法

本发明涉及浪涌防护技术领域，尤其涉及一种电源浪涌保护电路。

背景技术：

浪涌是一种上升速度快、持续时间短的尖峰脉冲，其产生的原因是多方面的，如电网过压、高压火花放电、雷击等。电子产品在使用的过程中遇到浪涌会导致电子产品的损坏，因此，为了提高电子产品的可靠性和人身安全，必须对浪涌采取防护措施。

铁路设备所处的工作环境通常为整体开放的野外环境，由于其特殊的工作环境导致铁路设备中的供电、通信及触发信号回路中极易发生浪涌。例如，1、轨边设备或轨下设备距离铁路接触网供电线路较近，在铁路接触网中存在25KV单相供电，供电线路距轨面5.7～6.5米，设备线缆内部易受接触网供电相位变化、接触网输电线拉弧放电的影响而产生浪涌。2、部分车顶设备直接安装在机车顶部，工作时处在高速运动环境，设备供电、通信及触发信号回路要通过较长的线缆连接，在高速运动时易因线缆切割磁力线及高速通过接触网供电段交接相变区产生感应电动势在线缆内部产生浪涌。3、暴漏在外的电缆易受到雷电浪涌冲击及接触网供电线路放电影响，在雷击及拉弧放电瞬间会在空间一定距离内产生交变电磁场，引起线路磁通量变化，在线路中产生瞬时脉冲浪涌，对设备内供电、通信器件及触发信号产生冲击。

工业相机作为典型的轨边设备，其供电、通信及触发信号回路都要通过很长的电缆(通常情况下超过10米)连接到轨边机房内，为了提高工业相机的可靠性，使工业相机的供电系统整体隔离于外界电气，以减少外界雷电、电磁干扰对供电系统的干扰和破坏，亟需对供电系统的电源入口部分进行浪涌保护电路。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种电源浪涌保护电路，以解决现有技术中供电系统容易受到外界雷电或电磁干扰的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

一种电源浪涌保护电路，包括：依次连接在直流电源的输入端和输出端之间的浪涌保护电路和直流电压转换电路，所述浪涌保护电路包括依次连接的第一差模浪涌吸收单元、第一共模浪涌吸收单元、浪涌阻挡单元、第二差模浪涌吸收单元、第二共模浪涌吸收单元和电压箝位单元；

所述第一差模浪涌吸收单元的两端分别接所述直流电源的正极和负极；

所述第一共模浪涌吸收单元包括第一正极共模浪涌吸收子单元和第一负极共模浪涌吸收子单元，所述第一正极共模浪涌吸收子单元的两端分别接所述直流电源的正极和地电平，所述第一负极共模浪涌吸收子单元的两端分别接所述直流电源的负极和地电平；

所述浪涌阻挡单元包括正极浪涌阻挡子单元和负极浪涌阻挡子单元，所述正极浪涌阻挡子单元串联在所述直流电源的正极输入端和正极输出端之间，所述负极浪涌阻挡子单元串联在所述直流电源的负极输入端和负极输出端之间；

所述第二差模浪涌吸收单元的两端分别连接所述直流电源的正极和负极；

所述第二共模浪涌吸收单元包括第二正极共模浪涌吸收子单元和第二负极共模浪涌吸收子单元，所述第二正极共模浪涌吸收单元的两端分别接所述直流电源的正极和地电平，所述第二负极共模浪涌吸收子单元的两端分别接所述直流电源的负极和地电平；

所述电压箝位单元的正极接所述直流电源的负极，所述电压箝位单元的负极接所述直流电源的正极。

优选地，所述第一差模浪涌吸收单元包括第一压敏电阻，所述第一压敏电阻的两端分别接所述直流电源的正极和负极；

所述第一正极共模浪涌吸收子单元包括第二压敏电阻，所述第二压敏电阻的两端分别接所述直流电源的正极和地电平；

所述第一负极共模浪涌吸收子单元包括第三压敏电阻，所述第三压敏电阻的两端分别接所述直流电源的负极和地电平；

所述第二差模浪涌吸收单元包括第四压敏电阻，所述第四压敏电阻的两端分别连接所述直流电源的正极和负极；

所述第二正极共模浪涌吸收子单元包括第五压敏电阻，所述第五压敏电阻的两端分别连接所述直流电源的正极和地电平；

所述第二负极共模浪涌吸收子单元包括第六压敏电阻，所述第六压敏电阻的两端分别连接所述直流电源的负极和地电平。

优选地，所述第一压敏电阻和所述第四压敏电阻的击穿电压为37-56V。

优选地，所述第二压敏电阻、第三压敏电阻、第五压敏电阻和第六压敏电阻的击穿电压为68-103V。

优选地，所述正极浪涌阻挡子单元包括第一电感，所述第一电感串联在所述直流电源的正极输入端和正极输出端之间；

所述负极浪涌阻挡子单元包括第二电感，所述第二电感串联在所述直流电源的负极输入端和负极输出端之间。

优选地，所述第一电感和所述第二电感的电感值至少为10μF。

优选地，所述电压箝位单元包括TVS管，所述TVS管的正极接所述直流电源的负极，所述TVS管的负极接所述直流电源的正极。

优选地，所述TVS管的反向击穿电压为19-28V。

优选地，所述浪涌保护电路还包括共模陷波器，所述共模陷波器包括第一电容和第二电容，所述第一电容的两端分别接所述直流电源的正极和地电平，所述第二电容的两端分别接所述直流电源的负极和地电平。

优选地，所述浪涌保护电路还包括第一差模陷波器和第二差模陷波器，所述第一差模陷波器包括第三电容，所述第三电容的两端分别接所述直流电源的正极和负极；所述第二差模陷波器包括第四电容，所述第四电容的两端分别接所述直流电源的正极和负极。

采用本发明实施例所提供的浪涌保护电路，当共模浪涌发生时，共模电压波由直流电源的输入端沿正负两条导线同时传播，遇到浪涌阻挡单元的阻挡，高压部分击穿第一共模浪涌吸收单元，形成对地的第一次泄放衰减，在共模电压波通过浪涌阻挡单元后，高压部分击穿第二共模浪涌吸收单元，形成对地的第二次泄放衰减，经过两次对地泄放，共模电压波的对地伏值降低，同时通过电压箝位单元维持正负线之间的差模电压保持在一定的伏值以下，减少共模电压波对后端器件的损害。当差模浪涌发生时，差模电压波沿正负两条导线中的一条传播，在第一差模浪涌吸收单元处形成第一次差模泄放(高压导线对低压导线泄放能量，减少差模能量)，在差模电压波遇到浪涌阻挡单元的阻挡后，高压部分击穿第一共模浪涌吸收单元，形成对地的第一次泄放衰减，在差模电压波通过浪涌阻挡单元后，在第二差模浪涌吸收单元处形成第二次差模泄放，且高压部分击穿第二共模浪涌吸收单元，形成对地的第二次泄放衰减，经过两次差模泄放和两次对地泄放，差模电压波的相对伏值降低，同时通过电压箝位单元维持正负线之间的差模电压保持在一定的伏值以下，减少共模电压波对后端器件的损害。

综上所述，采用本发明实施例所提供的浪涌保护电路，可以同时对差模浪涌和共模浪涌进行抑制，使得直流电源的输出端输出稳定的直流电压，保证后端器件的安全性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电源浪涌保护电路的模块示意图；

图2为本发明实施例提供的一种浪涌保护电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种直流电压转换电路的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种浪涌保护电路的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在一种可选实施例中，本发明实施例示出的电源浪涌保护电路应用于铁道用工业相机的电源入口处，通过电源浪涌保护电路对输入工业相机的直流电源中的差模浪涌电压波和共模浪涌电压波进行泄放衰减，确保输入工业相机的电压为稳定的直流电压，进而保证工业相机中相关器件的安全性。其中，浪涌的传输分为共模浪涌和差模浪涌，共模浪涌为沿电源正负两条线同时传输的对地电压尖峰，在正负两条线内同步传输；差模浪涌为正负两条线之间的压差尖峰，本发明实施例提供的电源浪涌保护电路即可以对共模浪涌进行防护，也可以对差模浪涌进行防护。

图1为本发明实施例提供的一种电源浪涌保护电路的模块示意图，图1中示出了直流电源的输入端和直流电源的输出端，其中，直流电源的输入端包括正极输入端A+和负极输入端A-，直流电源的输出端包括正极输出端B+和负极输出端B-，直流电源的输入端接供电电源，直流电源的输出端接工业相机供电模块。在直流电源的输入端和输出端之间依次连接有浪涌保护电路100和直流电压转换电路200，其中浪涌保护电路100用于对电路中的浪涌电压波进行泄放衰减，直流电压转换电路200用于对电路中的直流电压进行转换，以输出所需伏值的直流电压。

图2为本发明实施例提供的一种浪涌保护电路的结构示意图，在图2中直流电源的正极输入端A+用字符V12进行表示，直流电源的负极输入端A-用字符GND进行表示，其用于指示浪涌保护电路100外接12V的直流电源。

在本发明一种可选实施例中，浪涌保护电路100包括依次连接的第一差模浪涌吸收单元101、第一共模浪涌吸收单元102、浪涌阻挡单元103、第二差模浪涌吸收单元104、第二共模浪涌吸收单元105和电压箝位单元106。

所述第一差模浪涌吸收单元101的两端分别接所述直流电源的正极和负极，当电路中存在差模浪涌时，差模电压波在第一差模浪涌吸收单元101处形成第一次差模泄放。例如，当直流电源的正极导线或负极导线中存在差模电压波时，正极导线与负极导线之间的电压差超过第一差模浪涌吸收单元101的击穿电压，则由高压导线(存在差模电压波的导线)向低压导线(不存在差波电压波的导线)方向击穿第一差模浪涌吸收单元101，泄放差模电压波的能量。其中，所述第一差模浪涌吸收单元101可以包括第一压敏电阻R1，相应地，所述第一压敏电阻R1的两端分别接所述直流电源的正极和负极。

另外，第一压敏电阻R1的击穿电压如果设置过低，则第一压敏电阻R1的耐压性能降低，若电路中存在较高的浪涌电压波会导致第一压敏电阻R1被击穿损坏；第一压敏电阻R1的击穿电压如果设置过高，会导致通过浪涌保护电路100的电压波伏值过高，导致电路后面的器件损坏。因此，在本发明一种可选实施例中，将第一压敏电阻R1的击穿电压设置为37-56V，优选为47V。

所述第一共模浪涌吸收单元102包括第一正极共模浪涌吸收子单元和第一负极共模浪涌吸收子单元，所述第一正极共模浪涌吸收子单元的两端分别接所述直流电源的正极和地电平PE，所述第一负极共模浪涌吸收子单元的两端分别接所述直流电源的负极和地电平PE。当电路中存在共模浪涌时，高压部分击穿第一共模浪涌吸收单元102，形成对地的第一次泄放衰减。具体为，当电路中存在共模浪涌时，共模电压波沿正负极两条导线同时传播，其中，沿正极导线传播的电压波与地电平PE之间的电压差若超过第一正极共模浪涌吸收子单元的击穿电压，则由正极导线向地方向击穿第一正极共模浪涌吸收子单元，泄放正极导线中电压波的能量；沿负极导线传播的电压波与地电平PE之间的电压差若超过第一负极共模浪涌吸收子单元的击穿电压，则由负极导线向地方向击穿第一负极共模浪涌吸收子单元，泄放负极导线中电压波的能量。因此，通过第一共模浪涌吸收单元102完成共模浪涌电压波对地的衰减泄放。

其中，所述第一正极共模浪涌吸收子单元可以包括第二压敏电阻R2，所述第二压敏电阻R2的两端分别接所述直流电源的正极和地电平PE；所述第一负极共模浪涌吸收子单元可以包括第三压敏电阻R3，所述第三压敏电阻R3的两端分别接所述直流电源的负极和地电平PE。

所述第二压敏电阻R2和第三压敏电阻R3的击穿电压的选择原理与所述第一压敏电阻R1相似，第二压敏电阻R2和第三压敏电阻R3的击穿电压如果设置过低，则第二压敏电阻R2和第三压敏电阻R3的耐压性能降低，若电路中存在较高的浪涌电压波会导致第二压敏电阻R2和第三压敏电阻R3被击穿损坏；第二压敏电阻R2和第三压敏电阻R3的击穿电压如果设置过高，会导致通过浪涌保护电路100的电压波伏值过高，导致电路后面的器件损坏。因此，在本发明一种可选实施例中，将第二压敏电阻R2和第三压敏电阻R3的击穿电压设置为68-103V，优选为86V。

所述浪涌阻挡单元103包括正极浪涌阻挡子单元和负极浪涌阻挡子单元，所述正极浪涌阻挡子单元串联在所述直流电源的正极输入端A+和正极输出端B+之间，所述负极浪涌阻挡子单元串联在所述直流电源的负极输入端A-和负极输出端B-之间。在本发明实施例中的浪涌阻挡单元103具有通直阻交的特性，因此，当导线中存在浪涌电压时，会受到浪涌阻挡单元103的阻碍作用，进一步加强第一差模浪涌吸收单元101和第一共模浪涌吸收单元102对浪涌电压波的衰减泄放效果。

在本发明一种可选实施例中，所述正极浪涌阻挡子单元包括第一电感L1，所述第一电感L1串联在所述直流电源的正极输入端A+和正极输出端B+之间；所述负极浪涌阻挡子单元包括第二电感L2，所述第二电感L2串联在所述直流电源的负极输入端A-和负极输出端B-之间。理论上来讲，第一电感L1和第二电感L2的电感值越大，对浪涌电压波的阻碍作用越好，因此本发明实施例例中的第一电感L1和第二电感L2的电感值至少为10μF。

浪涌电压波在通过浪涌阻挡单元103后，会继续在第二差模浪涌吸收单元104和第二共模浪涌吸收单元105处进行二次衰减泄放。

所述第二差模浪涌吸收单元104的两端分别连接所述直流电源的正极和负极，所述第二差模浪涌吸收单元104可以包括第四压敏电阻R4，所述第四压敏电阻R4的两端分别连接所述直流电源的正极和负极。在本发明一种可选实施例中，将第四压敏电阻R4的击穿电压设置为37-56V，优选为47V。其中，所述第二差模浪涌吸收单元104与所述第一差模浪涌吸收单元101的工作原理相似，其相关内容可以参见上文中对所述第一差模浪涌吸收单元101的描述，为了描述简洁，在此不再赘述。

所述第二共模浪涌吸收单元105包括第二正极共模浪涌吸收子单元和第二负极共模浪涌吸收子单元，所述第二正极共模浪涌吸收单元的两端分别接所述直流电源的正极和地电平PE，所述第二负极共模浪涌吸收子单元的两端分别接所述直流电源的负极和地电平PE。所述第二正极共模浪涌吸收子单元可以包括第五压敏电阻R5，所述第五压敏电阻R5的两端分别连接所述直流电源的正极和地电平PE；所述第二负极共模浪涌吸收子单元可以包括第六压敏电阻R6，所述第六压敏电阻R6的两端分别连接所述直流电源的负极和地电平PE。在本发明一种可选实施例中，将第五压敏电阻R5和第六压敏电阻R6的击穿电压设置为68-103V，优选为86V。其中，所述第二共模浪涌吸收单元105与所述第一共模浪涌吸收单元102的工作原理相似，其相关内容可以参见上文中对所述第一共模浪涌吸收单元102的描述，为了描述简洁，在此不再赘述。

在本发明一种可选实施例中，所述浪涌保护电路100还包括电压箝位单元106，所述电压箝位单元106的正极接所述直流电源的负极，所述电压箝位单元106的负极接所述直流电源的正极。在本发明一种可选实施例中，所述电压箝位单元106包括TVS管D1，所述TVS管D1的正极接所述直流电源的负极，所述TVS管D1的负极接所述直流电源的正极。当共模浪涌电压波或差模浪涌电压波通过两次衰减泄放后，到达TVS管D1，此时，若负极导线与正极导线之间的电压差大于TVS管D1的反向击穿电压，则由负极导线向正极导线方向击穿所述TVS管D1，进一步对浪涌电压波的能量进行泄放，使正负极导线之间的电压差维持在安全水平。其中，TVS管D1的反向击穿电压本领域技术人员可以根据实际需求进行设置，在本发明一种可选实施例中，所述TVS管D1的反向击穿电压选择19-28V，优选为24V。

在本发明一种可选实施例中，为了提高电路的安全性，所述浪涌保护电路100还包括一熔断器F1，所述熔断器F1串联在正极导线中，当正极导线中的电流超过熔断器F1的最大值时，熔断器F1熔断，对整个电路进行过流保护。

在本发明一种可选实施例中，为了改善电压质量，减少电压纹波，所述浪涌保护电路100中还包括滤波电容。如图2所示，在电压箝位单元106和直流电压转换电路200之间还设有第五电容C5和第六电容C6，所述第五电容C5通过第七电阻R7连接在正极导线和负极导线之间，所述第六电容C6直接连接在正极导线和负极导线之间。其中，可以通过电容值的大小决定滤除电压纹波的频率，在本发明实施例中，所述第五电容C5的大小选择47μF，第七电阻R7的阻值选择90R，所述第七电容C7的大小选择0.1μF。

图3为本发明实施例提供的一种直流电压转换电路的结构示意图，所述直流电压转换电路200的P’端连接图2所示浪涌保护电路100的P端，组成完整的电源浪涌保护电路100。在本发明实施例中为了示图清晰，将其拆分开进行说明。

如图3所示，所述直流电压转换电路200包括直流电压转换模块DC-DC1，所述直流电压转换模块DC-DC1包括第一端口GND、第二端口VIN、第三端口+Vo、第四端口E和第五端口0V，其中，所述第一端口GND和第二端口VIN分别接直流电源的负极输入端A-和正极输入端A+，所述第三端口+Vo和第五端口0V分别接直流电源的正极输出端B+和负极输出端B-。

在本发明一种可选实施例中，为了改善电压质量，减少电压纹波，所述直流电压转换电路200中同样包括滤波电容。如图3所示，在浪涌保护电路100和直流电压转换模块DC-DC1之间还设有第七电容C7和第八电容C8，所述第七电容C7通过第八电阻R8连接在正极导线和负极导线之间，所述第八电容C8的两端直接连接在正极导线和负极导线之间。可以通过电容值的大小决定滤除电压纹波的频率，在本发明实施例中，所述第七电容C7的大小选择100μF，所述第八电阻R8的阻值选择200R，所述第八电容C8的大小选择1μF。

另外，在直流电压转换模块DC-DC1和直流电源的输出端之间同样设有滤波电容，具体包括第九电容C9和第十电容C10，所述第九电容C9通过第九电阻R9连接在正极导线和负极导线之间，所述第十电容C10的两端直接连接在正极导线和负极导线之间。在本发明实施例中，所述第九电容C9的大小选择10μF，所述第九电阻R9的阻值选择20R，所述第十电容C10的大小选择0.1μF。

在本发明一种可选实施例中，在第四端口E和第五端口0V之间还串接由第十电阻R10，所述第十电阻R10的阻值选择为10k，其可以控制输出电压上升至13.5V。

图4为本发明实施例提供的另一种浪涌保护电路的结构示意图，如图4所示，在本申请实施例中，为了提高电路中电压波的稳定性，消除浪涌电压波中的高频波或低频波，所述浪涌保护电路100中还设有陷波器，其中，所述陷波器包括共模陷波器和差模陷波器。

所述共模陷波器包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1的两端分别接所述直流电源的正极和地电平PE，其用于消除共模电压波在正极导线中的高频波或低频波；所述第二电容C2的两端分别接所述直流电源的负极和地电平PE，其用于消除共模电压波在负极导线中的高频波或低频波。在本发明一种可选实施例中，所述第一电容C1和第二电容C2的取值为0.1μF。

所述差模陷波器包括第一差模陷波器和第二差模陷波器，所述第一差模陷波器和第二差模陷波器分别位于浪涌阻挡单元103的两侧，所述第一差模陷波器包括第三电容C3，所述第三电容C3的两端分别接所述直流电源的正极和负极；所述第二差模陷波器包括第四电容C4，所述第四电容C4的两端分别接所述直流电源的正极和负极。所述第三电容C3和第四电容C4用于消除差模电压波在正极导线或负极导线中的高频波或低频波。在本发明一种可选实施例中，所述第三电容C3和第四电容C4的取值为0.1μF。

由以上技术方案可知，当共模浪涌发生时，共模电压波由直流电源的输入端沿正负两条导线同时传播，遇到浪涌阻挡单元103的阻挡，高压部分击穿第一共模浪涌吸收单元102，形成对地的第一次泄放衰减，在共模电压波通过浪涌阻挡单元103后，高压部分击穿第二共模浪涌吸收单元105，形成对地的第二次泄放衰减，经过两次对地泄放，共模电压波的对地伏值降低，同时通过电压箝位单元106维持正负线之间的差模电压保持在一定的伏值以下，减少共模电压波对后端器件的损害。当差模浪涌发生时，差模电压波沿正负两条导线中的一条传播，在第一差模浪涌吸收单元101处形成第一次差模泄放(高压导线对低压导线泄放能量，减少差模能量)，在差模电压波遇到浪涌阻挡单元103的阻挡后，高压部分击穿第一共模浪涌吸收单元102，形成对地的第一次泄放衰减，在差模电压波通过浪涌阻挡单元103后，在第二差模浪涌吸收单元104处形成第二次差模泄放，且高压部分击穿第二共模浪涌吸收单元105，形成对地的第二次泄放衰减，经过两次差模泄放和两次对地泄放，差模电压波的相对伏值降低，同时通过电压箝位单元106维持正负线之间的差模电压保持在一定的伏值以下，减少共模电压波对后端器件的损害。

综上所述，采用本发明实施例所提供的浪涌保护电路，可以同时对差模浪涌和共模浪涌进行抑制，使得直流电源的输出端输出稳定的直流电压，保证后端器件的安全性。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。