雷電是由雷云放電引起的，關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生冰晶，氣流中的冰晶碰撞后分裂導致較輕的部分帶負電荷并被風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。整塊雷云可以有若干個電荷中心。負電荷中心位于雷云的下部，離地大約500-10000m。它在地面上感應出大量的正電荷。

隨著雷云的發展和運動，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，主要關心的是雷云對大地的放電。

雷云對大地放電通常分為先導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展，以逐級推進的方式向下發展。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，所以平均發展速度只有（1～8）×105m/s。以上是負電荷雷云對地放電的基本過程，可稱為下行負雷閃；對應于正電荷雷云對地放電的下行正雷閃所占的比例很小，其發展過程亦基本相似。

觀察結果顯示，大多數云對地雷擊是重復的，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，先導都是自上而下連續發展的，沒有停頓現象。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：雙指數脈沖和阻尼正弦波脈沖。在這兩者之中，雙指數脈沖的抑制時最難的。它的脈沖持續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。

瞬態抑制器的類型包括氣體放電管、瞬態電壓抑制器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）和我國國家標準都規定了標準雷電流的波形，如下圖所示。圖中波頭時間1.2us,波長時間50us。根據實測統計，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，假設能量是由方波脈沖產生的。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-脈沖持續時間（S）

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

與浪涌相關的幾個方面

（1）了解產品的測試標準。需要滿足哪些試驗電平和波形

（2）了解脈沖的能量。

（3）在接口設計時要滿足優先防護的設計 再進行濾波設計。

（4）對于瞬態干擾電流，其返回路徑是非常重要的。把能量從受試位置轉移到某些返回路徑，轉移路徑必須具有低阻抗且必須能夠承受所產生的大電流。比如采用單個通孔的設計做為返回電流路徑是不合適的。在測試過程中將會出現故障。同時一定要確保為能量設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。

對于交流輸入電網到產品開關電源輸入端的典型浪涌防護設計如下圖所示：

采用限壓器件增加抗浪涌沖擊能力，根據浪涌能量來評估端口器件的可靠性，接口電路的器件規格參數以及封裝根據裕量計算進行選型；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，通常會受到感應雷的影響，帶來系統的可靠性設計問題；其典型的浪涌防護設計參考如下圖所示：

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

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

B過電流效應：電路中開關器件的正向通流等，正向的短時能力發生熱擊穿，不可恢復。

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

D電路設計故障：比如PCB設計的布線銅箔，因為電流通流量的影響，出現PCB走線燒毀的現象。

相關內容可參考《開關電源電磁兼容分析與設計》第8章的內容。

還有很關鍵的PCB及關鍵器件的設計問題;比如下圖PCB設計；

A.接口電路地回路的PCB走線良好，區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：測試時出現器件損壞或冒煙都表示某些器件已經損壞。一定要注意：有些器件的設計，其損壞時要為開路。否則，當元器件損壞時，其會產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抑制器的額定電壓不合適或其安裝位置不當。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抑制器件的封裝尺寸可能相當大，因此對其進行安裝可能是一種挑戰。

對浪涌的設計是在標準的電源線輸入上設計浪涌保護器。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。

對于產品及系統級的浪涌防護設計，其防護方案系統圖如下：

防護方案結構基本原則-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的最大浪涌電流

4.電源防護時，注意產品的絕緣耐壓測試

產品問題的發生也是跟我們產品設計可靠性相關聯的

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