雷電是由雷云放電引起的，關(guān)于雷云的聚集和帶電至今還沒有令人滿意的解釋，目前比較普遍的看法是：熱氣流上升時冷凝產(chǎn)生冰晶，氣流中的冰晶碰撞后分裂導(dǎo)致較輕的部分帶負(fù)電荷并被風(fēng)吹走形成大塊的雷云；較重的部分帶正電荷并可能凝聚成水滴下降，或懸浮在空中形成一些局部帶正電的云區(qū)。整塊雷云可以有若干個電荷中心。負(fù)電荷中心位于雷云的下部，離地大約500-10000m。它在地面上感應(yīng)出大量的正電荷。

隨著雷云的發(fā)展和運動，雷云中積聚了大量的電荷，一旦空間電場強度超過大氣游離放電的臨界電場強度（大氣中約為30kV/cm,有水滴存在時約為10kV/cm）時，就會發(fā)生不同極性的雷云之間、或雷云對大地的火花放電。在防雷工程中，主要關(guān)心的是雷云對大地的放電。

雷云對大地放電通常分為先導(dǎo)放電和主放電兩個階段。云與地之間的線狀雷電在開始時往往從雷云邊緣向地面發(fā)展，以逐級推進的方式向下發(fā)展。每級長度約為10～200m,每級的伸展速度約為107m/s,各級之間有10～100us的停歇，所以平均發(fā)展速度只有（1～8）×105m/s。以上是負(fù)電荷雷云對地放電的基本過程，可稱為下行負(fù)雷閃；對應(yīng)于正電荷雷云對地放電的下行正雷閃所占的比例很小，其發(fā)展過程亦基本相似。

觀察結(jié)果顯示，大多數(shù)云對地雷擊是重復(fù)的，即在第一次雷擊形成的放電通道中，會有多次放電尾隨，放電之間的間隔大約為0.5～500ms。主要原因是：在雷云帶電的過程中，在云中可形成若干個密度較高的電荷中心，第一次先導(dǎo)到主放電沖擊泄放的主要是第一個電荷中心的電荷。在第一次沖擊完成之后，主放電通道暫時還保持高于周圍大氣的電導(dǎo)率，別的電荷中心將沿已有的主放電通道對地放電，從而形成多重雷擊。第二次及以后的放電，先導(dǎo)都是自上而下連續(xù)發(fā)展的，沒有停頓現(xiàn)象。通常第一次沖擊放電的電流最大，以后的電流幅值都比較小。

浪涌和雷電試驗中使用的脈沖類型包括：雙指數(shù)脈沖和阻尼正弦波脈沖。在這兩者之中，雙指數(shù)脈沖的抑制時最難的。它的脈沖持續(xù)時間要比阻尼正弦波的長。此外，這兩種脈沖都是非振蕩的，當(dāng)施加給元器件時，流過的電荷是單向的且不能進行放電，直到具有威脅的這種脈沖信號通過該元器件。

瞬態(tài)抑制器的類型包括氣體放電管、瞬態(tài)電壓抑制器TVS、金屬氧化物壓敏電阻MOV、二極管和其它的基本濾波器件。

雖然雷電流的幅值隨氣象條件相差很大，但全球測得的雷電流波形卻是

基本一致的。國際電工委員會（IEC）和我國國家標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)雷電流的波形，如下圖所示。圖中波頭時間1.2us,波長時間50us。根據(jù)實測統(tǒng)計，雷電流的波頭時間大多為1～5us，平均為2～2.5us。雷電流的波長大多為20～100us,平均約為50us,大于50us的僅占18～30%。

對于高能量的脈沖，假設(shè)能量是由方波脈沖產(chǎn)生的。計算能量的公式：

E=P·t=V·I·t=V2t/R 

E-能量（J）;P-功率（W）；V-峰值電壓（V）;I-峰值電流（A）;R-電阻或阻抗（Ω）；t-脈沖持續(xù)時間（S）

對于產(chǎn)生浪涌和雷電的源，其阻抗大約為ESD源和EFT源的1/100,而脈沖持續(xù)時間大約為ESD源和EFT源的1000倍。這導(dǎo)致浪涌和雷電脈沖產(chǎn)生的能量是EFT或ESD脈沖產(chǎn)生的能量的成千上萬倍。

與浪涌相關(guān)的幾個方面

（1）了解產(chǎn)品的測試標(biāo)準(zhǔn)。需要滿足哪些試驗電平和波形

（2）了解脈沖的能量。

（3）在接口設(shè)計時要滿足優(yōu)先防護的設(shè)計 再進行濾波設(shè)計。

（4）對于瞬態(tài)干擾電流，其返回路徑是非常重要的。把能量從受試位置轉(zhuǎn)移到某些返回路徑，轉(zhuǎn)移路徑必須具有低阻抗且必須能夠承受所產(chǎn)生的大電流。比如采用單個通孔的設(shè)計做為返回電流路徑是不合適的。在測試過程中將會出現(xiàn)故障。同時一定要確保為能量設(shè)置的路徑是脈沖的實際返回路徑。如果脈沖被放置在電源和孤立的外殼之間，那么脈沖想要直接走從電源到外殼的返回路徑將是不大可能的。

對于交流輸入電網(wǎng)到產(chǎn)品開關(guān)電源輸入端的典型浪涌防護設(shè)計如下圖所示：

采用限壓器件增加抗浪涌沖擊能力，根據(jù)浪涌能量來評估端口器件的可靠性，接口電路的器件規(guī)格參數(shù)以及封裝根據(jù)裕量計算進行選型；同時在入口增大阻抗，削弱浪涌電流；

對于戶外的長線通訊系統(tǒng)，通常會受到感應(yīng)雷的影響，帶來系統(tǒng)的可靠性設(shè)計問題；其典型的浪涌防護設(shè)計參考如下圖所示：

先采用開關(guān)型器件泄放浪涌電流，這時要保障浪涌能量泄放路徑良好。對于電路設(shè)計要評估浪涌的危害及常常發(fā)生的故障現(xiàn)象：

A過壓效應(yīng)：比如二極管的反向耐壓、開關(guān)MOS器件反向擊穿等在過壓效應(yīng)下，極容易擊穿損壞。

B過電流效應(yīng)：電路中開關(guān)器件的正向通流等，正向的短時能力發(fā)生熱擊穿，不可恢復(fù)。

C過功率效應(yīng)：比如TVS等防護器件，流入一個持續(xù)時間較長的短時電流，因為耗散功率不足，導(dǎo)致溫過高燒毀。

D電路設(shè)計故障：比如PCB設(shè)計的布線銅箔，因為電流通流量的影響，出現(xiàn)PCB走線燒毀的現(xiàn)象。

相關(guān)內(nèi)容可參考《開關(guān)電源電磁兼容分析與設(shè)計》第8章的內(nèi)容。

還有很關(guān)鍵的PCB及關(guān)鍵器件的設(shè)計問題;比如下圖PCB設(shè)計；

A.接口電路地回路的PCB走線良好，區(qū)分大電流回路和小信號回路，有可靠的回流路徑；

B.端子接口處接泄放電容；

注意：測試時出現(xiàn)器件損壞或冒煙都表示某些器件已經(jīng)損壞。一定要注意：有些器件的設(shè)計，其損壞時要為開路。否則，當(dāng)元器件損壞時，其會產(chǎn)生從電源線到返回路徑或外殼的短路。

損壞的原因是由于瞬態(tài)抑制器的額定電壓不合適或其安裝位置不當(dāng)。注意：要知道測試脈沖的總能量，然后選擇合適的元器件與之相匹配。對于較高電平的測試試驗，和其它輸入濾波器的元件相比這些瞬態(tài)抑制器件的封裝尺寸可能相當(dāng)大，因此對其進行安裝可能是一種挑戰(zhàn)。

對浪涌的設(shè)計是在標(biāo)準(zhǔn)的電源線輸入上設(shè)計浪涌保護器。這將在相線和中線與外殼地之間增加壓敏電阻MOV。一定要確保MOV的額定電壓滿足所用線電壓的要求。

對于產(chǎn)品及系統(tǒng)級的浪涌防護設(shè)計，其防護方案系統(tǒng)圖如下：

防護方案結(jié)構(gòu)基本原則-3原則

Ø多級防護：大容量在前，小容量在后

Ø逐級釋放：粗獷在前，精密在后

Ø退耦必不可少

浪涌防護器件的選型-4要點

1.防護器件的允許工作電壓大于電路最大工作電壓

2.防護元器件的最大鉗位電壓小于電路的安全電壓

3.防護器件的通流量大于可能出現(xiàn)的最大浪涌電流

4.電源防護時，注意產(chǎn)品的絕緣耐壓測試

產(chǎn)品問題的發(fā)生也是跟我們產(chǎn)品設(shè)計可靠性相關(guān)聯(lián)的

更多的電子產(chǎn)品電路可靠性設(shè)計系列，會逐漸為大家解開這些設(shè)計方面的坑，讓電子設(shè)計工程師少走彎路，敬請關(guān)注！