Расчет схемы защиты линии питания от разных помех, Аналитический расчет Опции

[syoma]

Привет всем.
Так как на форуме я не нашел конкретных расчетов, то хочу здесь выложить свои выкладки для обсуждения.

В общем задача - Есть устройство, питающееся от +24В. Расстояние до источника питания может быть до 60м. Цепь питания может проходить возле силовых проводов. Ток потребления до 100мА. Микросхемы устройства расчитаны на работу при напряжении питания до 30В - поэтому это и есть предел. Место на плате ограничено, компоненты должны быть по возможности SMD

Надо защитить вход устройства от:
переполюсовки;
микросекундных импульсных помех согласно МЭК 61000-4-5. Согласно условиям задачи и различным продуктовым стандартам выходит что у меня класс 3 и напряжение испытания по схеме провод-провод - 1кВ с сопротивлением генератора 2 Ома;
КЗ в самом устройстве.

Изучив различные даташиты по варисторам, TVS, PTC и т.д и данный форум, пришел к такой схеме защиты:

Объясняю по выбору компонентов и как схема должна работать (по моему мнению):
1. На входе стоит варистор V1. По всем философиям он должен взять на себя основную заботу по подавлению импульсной помехи. Так как сопротивление генератора - 2 Ома, ток КЗ через него будет 500А. Если брать варистор размером 1812(например VG181238U770), то он выдерживает ток до 800А в импульсе 8/20мкс. Также по всем характеристикам выходит, что если подать на него 1кВ, то при токе в 500А, варистор подавит этот импульс до 200В. Эту цифру используем дальше.
2. D1 стоит для защиты от переполюсовки, так как последующие компоненты - TVS, электролит - униполярные, то он находится здесь. Будет использоваться диод шоттки, для минимального падения напряжения. Так как на входе мы знаем, что у нас +-200В, диод тоже выбираем на обратное напряжение 200В. Типа такого - CMSH1-200HE или аналог. Замечу, что пиковый ток в импульсе у него 30А, что нам понадобится в дальнейем. Хотя он дан для t=8,3мс.
4. Так как везде рекомендуют как минимум двухуровневую схему защиты, то их необходимо разделять токооограничительным элементом. С дросселями у меня не вышло, поэтому стоит резитор Rlimit на 5 Ом. 5 Ом выбрано по принципу - с одной стороны у нас 200В - остаток от варистора. С другой стороны - TVS, который должен еще подавить это напряжение до 50В. Диод D1 пропускает 30А в пике. В итоге (200В-50В)/30А= 5 Ом. В нормальном режиме на резисторе будет падать 0.5В, что не есть гут, но что поделать? По мощности тоже фигня. Но вот, выдержит ли он импульс тока в 30А и соответственно около 4кВт? И что ставить? Гугль привел меня к Pulse Proof Thick film Resistors - т.е. CRCW12105R10JNEAHP при импульсе в 1мкс выдерживает до 1500Вт - мало конечно, но что делать?
5. Дальше по схеме - TVS D4. Рабочее напряжение схемы 24В. Т.е до 28В он не должен открываться. Выбираем что-то типа SMBJ28A. По характеристикам при 30А он должен просадить остаточное напряжение до 50В.
6. Для защиты от КЗ используем самовосстанавливающийся предохранитель Rptc типа PTC . Счас есть много SMD вариантов. Следует учитывать, что после TVS у нас остается 50В. Поэтому, чтобы наверняка, надо выбирать PTC с рабочим напряжением 60В минимум. Например 1812L014 . Типовое сопротивление этой штуки - 4 Ома. Опять же ток чере знее не должен превышать 10А. Т.е. 4 Ом *10А = 40в. У нас - меньше.
7. Далее идет наша нагрузка. Параллельно с ней стоит электролит С3 на 100мкФ. Вроде по расчетам - RC и т.д выходит, что увеличение напряжения на нагрузке будет около 2В, т.е. не превысит наших 30В.

Промоделировал данную схему в Pspice. В итоге выходит, что ток через диод D1 и резистор Rlimit - не более 20А. Rptc - 7А. Модель TVS не сильно адекватная, но тоже показывает 45В.

Вопросы:
1. Насколько данные расчеты правомерны, и будет ли схема работать как задумано?
2. Будет ли себя чувствовать схема нормально при подаче импульсной помехи отрицательной полярности?
3. Можно ли как нибудь оптимизировать схему, чтобы уменьшить падение напряжения при нормальной работе на резистрое Rlimit?
4. Правильно ли выбраны размеры компонентов по мощности - т.е. резисторы, варисторы, TVS?
5. Нужны ли керамические конденсаторы в параллель варистору, TVS? Каково их назначение?
6. Сейчас вроде появились такие интересные штуки как STIEC45 - они вроде как выдерживают импульс до 500А - можно было бы поставить вместо варистора 2 шт встречно - последовательно. Может с их помошью упростить схему?

[AnatolyT]

Размышляли тоже на тему о максимальном допустимом импульсном токе через предохранитель, который нигде не нормируется. Время реакции предохранителя от долей секунды до нескольких секунд пока он не нагреется чтобы перейти в непроводящее состояние, поэтому можно рассматривать его работу как предохранителя только на постоянном или переменном токе, а никак ни на единичном высоковольтном коротком импульсе. Поэтому пришли к выводу что предохранитель можно рассматривать как тот же резистор, на котором за 20 мкс выделится порядка 1-2 дж энергии, которые не смогут перевести его в непроводящее состояние. Что касается пробоя, несмотря на то что предохранители нормированы на определенное напряжение, опять же это напряжение постоянное или переменное в цепи защиты, они также в большинстве рассчитаны на электростатическое воздействие иногда на большее напряжение (2кВ). Время реакции варистора и TVS диода примерно одинаково, имеет ли смысл ставить еще дополнительно TVS диод, трудно сказать, попробуйте. Другое дело чтобы эта помеха не оказала существенного влияния на работу устройства, она все равно в какой то мере пролезет, тут уже применяются другие методы.