路徑分析是解決SURGE浪涌問題的第一要?jiǎng)?wù)

發(fā)布時(shí)間：2016-11-04 16:11:31 作者： 查看人數(shù)：13131

十月的成都已寒風(fēng)逼人，但在成都舉辦的電磁兼容(EMC)與電路保護(hù)技術(shù)研討會(huì)會(huì)場內(nèi)卻如火如荼，原來，是檳城電子技術(shù)營銷在此分享了又一經(jīng)典技術(shù)案例——路徑分析是解決SURGE浪涌問題的第一要?jiǎng)?wù)。

       EMC（電磁兼容）是一門綜合性學(xué)科，它的難點(diǎn)在于電磁場摸不見、看不到，還不安分，不按照你給予的設(shè)計(jì)路徑走。電場轉(zhuǎn)磁場、磁場轉(zhuǎn)電場、空間輻射、線纜傳導(dǎo)、線纜輻射、差?；芈?、共模電壓等等，一系列專有名詞讓很多初學(xué)者甚至有經(jīng)驗(yàn)的硬件工程師都望而卻步。

       EMC最重要的一個(gè)理論就是EMC三要素：騷擾源、耦合路徑、敏感源，三者缺一就無法行成有效騷擾。針對(duì)我們今天要交流的SURGE浪涌問題來說，其騷擾源是確定的——浪涌發(fā)生器輸出波形；耦合路徑——線纜為主+部分空間；敏感源——接口芯片為主+部分敏感信號(hào)。在所有EMC測試項(xiàng)目中，浪涌相對(duì)來說速率是比較低的，其高頻分量干擾也相對(duì)較小，我們常用的測試波形1.2/50μs 、10/700μs都是μs級(jí)的波形，所以它的泄放路徑我們在板子上是可以來規(guī)劃的。良好的規(guī)劃浪涌泄放路徑可以有效的解決三要素中的耦合路徑問題，對(duì)EMC問題就迎刃而解。

       電路上的浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)常用的思路是兩種，即疏和堵。所謂疏就是利用GDT、TSS、TVS等保護(hù)器件來提供低阻抗回路，把浪涌能量疏通泄放到大地上去，一些設(shè)計(jì)中并聯(lián)電容也能起到疏的作用；而堵一般是利用電氣隔離，用電感，電阻，串聯(lián)電容等器件來實(shí)現(xiàn)。

        下面通過分析一個(gè)實(shí)際案例來說明下浪涌問題路徑分析的重要性：

        測試設(shè)備：安防球型攝像機(jī)

        測試端口：AC24V端口(兼容DC12V供電)

        測試等級(jí)：1.2/50μs 差模(2Ω) : 3KV    共模(12Ω) : 6KV 。

        測試現(xiàn)象：雷擊測試后電路損壞，無法正常工作。

        原始電路接口保護(hù)方案：

 

分析與整改：

        查看電路，發(fā)現(xiàn)原AC24V電路設(shè)計(jì)上只做了氣體管一級(jí)防護(hù)，且后級(jí)電路是DC-DC芯片并非FlyBack電路眾所周知，DC-DC芯片的耐壓能力相對(duì)于FlyBack電路來說是要低很多的。另外此電源板共模電感感值在1mH，其漏感所引起的差模電感分量是很小的，未起到足夠的退耦作用。所以測試過程中出現(xiàn)了電路損壞現(xiàn)象。量測DC-DC芯片的電源管腳與地，阻抗確實(shí)發(fā)生變化，驗(yàn)證了上述分析。  

       優(yōu)化方案如下圖所示：

        共模電感后極增加TVS管做二級(jí)保護(hù)，TVS選型可以用BV-SMCJ58CA，BV-SMDJ58CA，BV-5SMDJ58CA，實(shí)際選用功率大小與PTC、共模電感退耦有關(guān)系。  

        更改電路，由于原PCB空間限制，實(shí)際電路選用了檳城BV-SMBJ58C2H，SMB封裝，功率達(dá)到3000W，相當(dāng)于BV-SMDJ58CA。測試?yán)讚鬉C24V電源口AC24VA測試通過，AC24VB測試后設(shè)備損壞，詳細(xì)檢查電路后發(fā)現(xiàn)整流橋二極管燒毀。

        新問題：優(yōu)化保護(hù)方案后，測試AC24VB線時(shí)出現(xiàn)整流橋燒毀，更換整流橋后工作正常，DC-DC芯片正常。

        分析：簡化電路，接口處直接焊接5000W的BV-5SMDJ36CA在接口處，如下圖所示三顆分別做差模、共模保護(hù)。（選用36V 5000W是為了控制殘壓在DC-DC芯片耐壓要求內(nèi)，僅僅只為定位問題而采取的措施。實(shí)際選型需大于AC24V峰值電壓24V*1.414*1.2=40.7V）

        為了簡化先用裸電源板上做了以下實(shí)驗(yàn)（未接設(shè)備機(jī)殼）：

        實(shí)驗(yàn)一：測試L-PE 6KV，測試后檢驗(yàn)設(shè)備，工作正常；

        實(shí)驗(yàn)二：測試N-PE 6KV，測試后檢驗(yàn)設(shè)備，工作正常；

        以上實(shí)驗(yàn)做完發(fā)現(xiàn)測試正常未損壞。查看電路板分析，在整機(jī)中電源板的螺孔都是固定在整機(jī)結(jié)構(gòu)上的，整機(jī)結(jié)構(gòu)是金屬件，所以他們是連在一起的屬性，所以采用導(dǎo)線把兩個(gè)螺孔連在在一起，模擬實(shí)際地回路。（備注下圖上螺孔為PE地，下螺孔為數(shù)字地）

        實(shí)驗(yàn)三: 測試L-PE  6KV，測試后檢驗(yàn)設(shè)備，工作正常；

        實(shí)驗(yàn)四: 測試N-PE  6KV，測試后檢驗(yàn)設(shè)備，工作異常，整流橋二極管損壞；

        實(shí)驗(yàn)五: 測試N-PE  +6KV，測試后檢驗(yàn)設(shè)備，工作正常；

        實(shí)驗(yàn)六: 測試N-PE  -6KV，測試后檢驗(yàn)設(shè)備，工作異常，整流橋二極管損壞；

        分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

        1、通過實(shí)驗(yàn)一、二與實(shí)驗(yàn)室三、四可以得出數(shù)字地與PE地相連影響測試結(jié)果。

        2、通過實(shí)驗(yàn)五、六對(duì)比是N-PE 負(fù)向電壓脈沖導(dǎo)致二極管損壞。

       分析浪涌能量回流路徑：

        如上圖黃色所示為N-PE +6KV測試時(shí)的能量流經(jīng)圖，大能量從AV24VB開始大部分通過TVS管泄放到地，另一部分能量通過后極整流橋D18通過DC33V與地的電容流經(jīng)，由于電容隔離在，因此后極泄放的能量很小，不至于把整流橋搞壞。測試結(jié)果為通過。

        如上圖綠色所示為N-PE -6KV測試時(shí)的能量流經(jīng)圖，一部分能量從PE端通過TVS管到AC24VB端（AC24VB端施加負(fù)電壓時(shí)，PE端為高電平）；另一部分能量從PE端通過數(shù)字地（PE地與數(shù)字地在結(jié)構(gòu)上相通）到D17整流二極管，再到AC24VB端，此路徑是一個(gè)低阻抗路徑，所以大部分能量會(huì)通過此路徑通過。導(dǎo)致D17二極管損壞，此分析的管子損壞位置與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試相符。

        另外在實(shí)驗(yàn)室把D17通流量加大能通過測試；在AC24VB端串PTC，同樣能通過測試。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。    

總 結(jié)：

        1：浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)中路徑分析最重要。規(guī)劃好泄放路徑，設(shè)計(jì)出來的保護(hù)方案自然能成功；分析好泄放路徑，問題點(diǎn)自然清晰可見，對(duì)癥下藥，藥到病除。  

        2: 針對(duì)此AC24V電源方案，由于其采用了DC-DC芯片轉(zhuǎn)換，所以整流橋負(fù)極性的地與后極數(shù)字地是必須相連的，這與FlyBack電路不同，所以其防護(hù)設(shè)計(jì)需要特別考慮從數(shù)字地通過整流橋到接口的路徑。

        3：兩級(jí)保護(hù)的退耦方式較多，可以用PTC，差模電感，共模電感，可以根據(jù)電路可靠性要求，布板面積要求等來進(jìn)行調(diào)節(jié)。優(yōu)先差模電感:成本一般，功率損耗?。淮芜x共模的電感：成本高，體積大，后續(xù)TVS需求功率大，但是對(duì)EMC的性能提升很大；最后PTC:因?yàn)槠浞€(wěn)定性不好，阻抗會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度變化，會(huì)產(chǎn)品一定的功耗，其優(yōu)點(diǎn)是成本低于前者。

        4：針對(duì)AC24V電源口GDT選型，在安防行業(yè)里AC24V接口往往是需要兼容DC12V供電設(shè)計(jì)的，而兩種供電方式中用到是同一套方案。所以當(dāng)DC12V供電時(shí)對(duì)接口GDT的要求是其弧光壓必須大于12V，否則會(huì)有續(xù)流風(fēng)險(xiǎn)。這一點(diǎn)也是很多工程師比較容易忽略的。

        附錄：AC24V電源口檳城電子推薦方案