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(méi)有令人滿意的解釋，目前比較普遍的看法是：熱氣流上升時(shí)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(gè)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(yùn)動(dòng)，雷云中積聚了大量的電荷，一旦空間電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)大氣游離放電的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度（大氣中約為30kV/cm,有水滴存在時(shí)約為10kV/cm）時(shí)，就會(huì)發(fā)生不同極性的雷云之間、或雷云對(duì)大地的火花放電。在防雷工程中，主要關(guān)心的是雷云對(duì)大地的放電。
雷云對(duì)大地放電通常分為先導(dǎo)放電和主放電兩個(gè)階段。云與地之間的線狀雷電在開(kāi)始時(shí)往往從雷云邊緣向地面發(fā)展，以逐級(jí)推進(jìn)的方式向下發(fā)展。每級(jí)長(zhǎng)度約為10～200m,每級(jí)的伸展速度約為107m/s,各級(jí)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(duì)地放電的基本過(guò)程，可稱為下行負(fù)雷閃；對(duì)應(yīng)于正電荷雷云對(duì)地放電的下行正雷閃所占的比例很小，其發(fā)展過(guò)程亦基本相似。
觀察結(jié)果顯示，大多數(shù)云對(duì)地雷擊是重復(fù)的，即在第一次雷擊形成的放電通道中，會(huì)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(guò)程中，在云中可形成若干個(gè)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(gè)電荷中心的電荷。在第一次沖擊完成之后，主放電通道暫時(shí)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(duì)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(méi)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(yàn)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(shí)最難的。它的脈沖持續(xù)時(shí)間要比阻尼正弦波的長(zhǎng)。此外，這兩種脈沖都是非振蕩的，當(dāng)施加給元器件時(shí)，流過(guò)的電荷是單向的且不能進(jìn)行放電，直到具有威脅的這種脈沖信號(hào)通過(guò)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(cè)得的雷電流波形卻是
基本一致的。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和我國(guó)國(guó)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(shí)間1.2us,波長(zhǎng)時(shí)間50us。根據(jù)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，雷電流的波頭時(shí)間大多為1～5us，平均為2～2.5us。雷電流的波長(zhǎng)大多為20～100us,平均約為50us,大于50us的僅占18～30%。
對(duì)于高能量的脈沖，假設(shè)能量是由方波脈沖產(chǎn)生的。計(jì)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(shí)間（S）
對(duì)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(shí)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(wàn)倍。
與浪涌相關(guān)的幾個(gè)方面
（1）了解產(chǎn)品的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。需要滿足哪些試驗(yàn)電平和波形
（2）了解脈沖的能量。
（3）在接口設(shè)計(jì)時(shí)要滿足優(yōu)先防護(hù)的設(shè)計(jì) 再進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)。
（4）對(duì)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(gè)通孔的設(shè)計(jì)做為返回電流路徑是不合適的。在測(cè)試過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)故障。同時(shí)一定要確保為能量設(shè)置的路徑是脈沖的實(shí)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(duì)于交流輸入電網(wǎng)到產(chǎn)品開(kāi)關(guān)電源輸入端的典型浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)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(lái)評(píng)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(jì)算進(jìn)行選型；同時(shí)在入口增大阻抗，削弱浪涌電流；
對(duì)于戶外的長(zhǎng)線通訊系統(tǒng)，通常會(huì)受到感應(yīng)雷的影響，帶來(lái)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題；其典型的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)參考如下圖所示：
先采用開(kāi)關(guān)型器件泄放浪涌電流，這時(shí)要保障浪涌能量泄放路徑良好。對(duì)于電路設(shè)計(jì)要評(píng)估浪涌的危害及常常發(fā)生的故障現(xiàn)象：
A過(guò)壓效應(yīng)：比如二極管的反向耐壓、開(kāi)關(guān)MOS器件反向擊穿等在過(guò)壓效應(yīng)下，極容易擊穿損壞。
B過(guò)電流效應(yīng)：電路中開(kāi)關(guān)器件的正向通流等，正向的短時(shí)能力發(fā)生熱擊穿，不可恢復(fù)。
C過(guò)功率效應(yīng)：比如TVS等防護(hù)器件，流入一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的短時(shí)電流，因?yàn)楹纳⒐β什蛔悖瑢?dǎo)致溫過(guò)高燒毀。
D電路設(shè)計(jì)故障：比如PCB設(shè)計(jì)的布線銅箔，因?yàn)殡娏魍髁康挠绊懀霈F(xiàn)PCB走線燒毀的現(xiàn)象。
相關(guān)內(nèi)容可參考《開(kāi)關(guān)電源電磁兼容分析與設(shè)計(jì)》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(jì)問(wèn)題;比如下圖PCB設(shè)計(jì)；
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(hào)回路，有可靠的回流路徑；
B.端子接口處接泄放電容；
注意：測(cè)試時(shí)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(jì)，其損壞時(shí)要為開(kāi)路。否則，當(dāng)元器件損壞時(shí)，其會(huì)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(cè)試脈沖的總能量，然后選擇合適的元器件與之相匹配。對(duì)于較高電平的測(cè)試試驗(yàn)，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(duì)其進(jìn)行安裝可能是一種挑戰(zhàn)。
對(duì)浪涌的設(shè)計(jì)是在標(biāo)準(zhǔn)的電源線輸入上設(shè)計(jì)浪涌保護(hù)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(duì)于產(chǎn)品及系統(tǒng)級(jí)的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)，其防護(hù)方案系統(tǒng)圖如下：
防護(hù)方案結(jié)構(gòu)基本原則-3原則
Ø多級(jí)防護(hù)：大容量在前，小容量在后
Ø逐級(jí)釋放：粗獷在前，精密在后
Ø退耦必不可少
浪涌防護(hù)器件的選型-4要點(diǎn)
1.防護(hù)器件的允許工作電壓大于電路最大工作電壓
2.防護(hù)元器件的最大鉗位電壓小于電路的安全電壓
3.防護(hù)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(hù)時(shí)，注意產(chǎn)品的絕緣耐壓測(cè)試
產(chǎn)品問(wèn)題的發(fā)生也是跟我們產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)系列，會(huì)逐漸為大家解開(kāi)這些設(shè)計(jì)方面的坑，讓電子設(shè)計(jì)工程師少走彎路，敬請(qǐng)關(guān)注！