1. 引言

 

獨(dú)學(xué)而無(wú)友，則孤陋而寡聞。

 

本文以SURGE測(cè)試中通訊端口防護(hù)器件損壞為例，進(jìn)行損壞機(jī)理分析、不同測(cè)試方法帶來(lái)的影響分析、不同應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試方法選擇，以及SURGE防護(hù)設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)等內(nèi)容進(jìn)行分析說(shuō)明。

 

2. 背景介紹

 

某機(jī)車控制器的通訊端口進(jìn)行±1KV等級(jí)的SURGE測(cè)試，出現(xiàn)通訊端口防護(hù)器件TVS管損壞情況。

 

3. 系統(tǒng)組網(wǎng)

 

組網(wǎng)：某機(jī)車控制器（EUT），通過(guò)CAN通訊線與AE設(shè)備連接，互連線長(zhǎng)度10m；

 

測(cè)試端口：CAN端口，±1KV，阻抗42Ω；

 

端口防護(hù)說(shuō)明：EUT側(cè)CAN端口TVS管防護(hù)①；AE側(cè)CAN端口TVS管防護(hù)②；EUT側(cè)15V電源對(duì)地跨接電容C和TVS管③；AE側(cè)對(duì)地?zé)o跨接防護(hù)④；

 

端口注入方法：斷開(kāi)與AE相連的CAN-H和CAN-L，但A-GND保持與AE設(shè)備相連。

 

接地說(shuō)明：CAN參考地為A-GND，AE設(shè)備的通訊參考與電源的參考地為A-GND，AE由EUT的DC15V供電，DC15V的參考地為P-GND。測(cè)試組網(wǎng)如圖1所示。

 

 

圖1 組網(wǎng)圖

 

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在多次SURGE測(cè)試中發(fā)現(xiàn)， EUT端口TVS管被打壞，但并不是每次試驗(yàn)都能復(fù)現(xiàn)，試驗(yàn)次數(shù)越多，越容易復(fù)現(xiàn)。

 

4. TVS管損壞的機(jī)理分析

 

4.1 SURGE干擾的路徑分析

 

CAN電路的參考地為A-GND，AE設(shè)備的電源參考地為A-GND ，EUT的15V電源地為P-GND，因EUT的DC15V給AE進(jìn)行供電，使得A-GND與P-GND進(jìn)行了互連，且P-GND對(duì)PE有跨接TVS管和電容，使得SURGE噪聲沿著低阻抗路徑流到大地。

 

SURGE噪聲干擾路徑：SURGE發(fā)生器→CDN的Zin→通訊TVS1管→通訊線地線Zline→電源地線Zline→對(duì)PE跨接電容C1和TVS3管→PE，如下圖2所示。

 

 

圖2 SURGE噪聲回路示意圖

 

4.2 SURGE噪聲頻譜分析

 

4.2.1 SURGE的波形

 

根據(jù)IEC 61000-4-5 2019標(biāo)準(zhǔn)中SURGE的典型開(kāi)路電壓波形參數(shù)為1.2/50us。參見(jiàn)圖3所示：

 

 

圖3 SURGE發(fā)生器開(kāi)路電壓波形

 

4.2.2 SURGE的頻譜特性分析

 

IEC 61000-4-5中描述SURGE的BW帶寬是指頻域波形的下降沿斜率開(kāi)始達(dá)到-60dB/十倍頻程時(shí)的頻率帶寬。SURGE電壓波形波前時(shí)間短，包含的頻帶較寬，SURGE的BW達(dá)到了2MHz，但主要能量集中在頻率較低的頻段，幅值頻譜分析表明SURGE呈現(xiàn)低頻特征（50KHz→-40dB），參見(jiàn)圖4所示。

 

 

圖4 Voltage surge (1,2/50 µs): spectral response with ?f = 3,333 kHz

 

4.3 TVS 管損壞分析

 

4.3.1 TVS管損壞模式

 

TVS管損壞模式有兩種：

 

（1）單次能量超過(guò)額定功率

 

TVS的標(biāo)稱功率是極短時(shí)間內(nèi)對(duì) TVS 施加的單次脈沖能量，施加的噪聲波形能量大于額定功率時(shí)，會(huì)導(dǎo)致TVS管過(guò)流燒毀，呈現(xiàn)短路失效模式。

 

（2）積累的能量超過(guò)上限值

 

實(shí)際測(cè)試中施加的噪聲波形通常是重復(fù)地出現(xiàn)，使得短時(shí)間積累的能量超過(guò)上限值，TVS管就會(huì)損壞，呈現(xiàn)短路失效模式。

 

4.3.2 TVS管中的SURGE電流分析

 

（1）TVS管參數(shù)對(duì)比

 

TVS1和TVS2管型號(hào)均為PESD1CAN，其Ipp為3A，20uf脈沖功率為200W，50us脈寬功率約為130W；TVS3管的型號(hào)為SD05C，其Ipp為24A，20uf脈沖功率為350W，50us的脈沖脈寬功率約為210W。TVS3的功率和通流能力優(yōu)于TVS1。TVS參數(shù)表參見(jiàn)表1。

 

表1 TVS規(guī)格參數(shù)表

 

 

（2）噪聲回路參數(shù)

 

根據(jù)圖3的路徑分析及表1參數(shù)表，可計(jì)算出回路阻抗參數(shù)參見(jiàn)下表2。

 

表2 回路阻抗參數(shù)

 

符號(hào)	參數(shù)	線路阻抗 （在TVS1管最大3A下進(jìn)行計(jì)算）	含義
Zin	42Ω	2Ω差模+40Ω共模	信號(hào)線注入阻抗
Zline	3.1Ω	Zline=10m*1uH/m*2π*50KHz=3.1Ω	線路阻抗1uH/m
Zc1	32Ω	Zc1=1/(2π*50KHz*0.1uf=31.8Ω	對(duì)地跨接電容C1，噪聲頻率50KHz
ZTVS1	23.3Ω	ZTVS1=70V/3A=23.3Ω，型號(hào)PESD1CAN(NXP)	CAN電路保護(hù)TVS管
ZTVS3	2.7Ω	ZTVS3=8V/3A=2.7Ω，型號(hào)SD05C	對(duì)地跨接TVS

 

（3） 回路SURGE電流計(jì)算：

 

在TVS1管最大3A阻抗條件下計(jì)算分析：

 

Isurge=Vsurge/(Zin +ZTVS1// ZTVS1+2*Zline+Zc1//ZTVS3)=16A

 

在TVS1管短路失效條件下計(jì)算：

 

Isurge= Vsurge/(Zin +2*Zline+Zc1//ZTVS3)=19.7A

 

SURGE噪聲在回路中的電流范圍在16A~19.7A之間，流過(guò)CAN-H和CAN-L的TVS管電流各為8A-9.85A左右，超過(guò)了TVS1的最大Ipp（3A），但小于TVS3的Ipp(24A)。從計(jì)算分析可知，TVS1承受超額SURGE電流，有較大的損壞風(fēng)險(xiǎn)。

 

4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

 

4.4.1 TVS管阻抗測(cè)定

 

用萬(wàn)用表對(duì)TVS1和 TVS 3管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前后的阻抗測(cè)定，參見(jiàn)表3。

 

在多次實(shí)驗(yàn)后，TVS1管的阻抗越來(lái)越小，最終失效短路。

 

表3 TVS管阻抗測(cè)定

 

TVS1		TVS3
試驗(yàn)次數(shù)	阻抗值	試驗(yàn)次數(shù)	阻抗值
實(shí)驗(yàn)前	開(kāi)路	實(shí)驗(yàn)前	開(kāi)路
一次SURGE實(shí)驗(yàn)	65Ω	一次SURGE實(shí)驗(yàn)	開(kāi)路
二次SURGE實(shí)驗(yàn)	16Ω	二次SURGE實(shí)驗(yàn)	開(kāi)路
三次SURGE實(shí)驗(yàn)	0.1Ω	三次SURGE實(shí)驗(yàn)	開(kāi)路

 

4.4.2 SURGE實(shí)驗(yàn)波形抓取

 

SURGE實(shí)測(cè)噪聲回路電流峰值19.2A，脈寬55.3us，CAN-H和CAN-L的TVS1管個(gè)分流9.6A，與理論計(jì)算相匹配，驗(yàn)證分析的準(zhǔn)確性。實(shí)測(cè)波形參見(jiàn)圖5。

 

 

圖5 回路噪聲電流

 

4.5 TVS管損壞的機(jī)理分析小結(jié)

 

（1）15V參考地P-GND與CAN的參考地A-GND連接到一起，使得SURGE噪聲可以通過(guò)P-GND的對(duì)地跨接流到大地；

 

（2）SURGE的噪聲帶寬可達(dá)到2MHz，但一般能量集中在低頻段50KHz左右；

 

（3）TVS管損損壞模式有兩種，超額定或多次能量疊加導(dǎo)致的短路損壞，本文為典型超額定而導(dǎo)致的RVS管損壞。

 

（4）噪聲回路的SURGE電流理論計(jì)算與實(shí)測(cè)相對(duì)應(yīng)，結(jié)合理論計(jì)算可幫助產(chǎn)品在前期理論模型階段的防護(hù)器件設(shè)計(jì)選型。

 

5. 從產(chǎn)品端解決方案分析

 

綜合以上分析，從產(chǎn)品端解決CAN通訊口TVS管損壞問(wèn)題，就是要改變?cè)肼暬芈纷杩狗植?。方法有三種，參見(jiàn)表4。

 

表4 整改設(shè)計(jì)方法分析表

 

整改設(shè)計(jì)方法	可落地措施	備注
◆提高TVS管的耐流能力	將TVS1管替換成TVS3	結(jié)電容變大17pf→350pf，會(huì)影響通訊信號(hào)質(zhì)量
◆提高P-GND與PE的阻抗	◆去掉對(duì)地跨接TVS管 ◆將TVS管變?yōu)?MΩ電阻	地電位差防護(hù)變差
◆噪聲回路的線路去耦	線路地線去耦	改變通訊地阻抗，有共地阻抗風(fēng)險(xiǎn)

 

6. 從測(cè)試端解決方案分析

 

SURGE測(cè)試不同實(shí)驗(yàn)方法如下表5所示。

 

表5不同的測(cè)試方法

 

 

業(yè)界對(duì)CAN、485、232等通訊電路是否為平衡線對(duì)有不同的看法，導(dǎo)致使用不同的CDN，產(chǎn)生不同的測(cè)試結(jié)果。

 

（1） 對(duì)稱線的定義：

 

差模到共模轉(zhuǎn)換損耗大于20DB的平衡對(duì)線，一般由芯片廠家確定。

 

（2） CND非對(duì)稱注入：

 

A-GND進(jìn)行了去耦，老板標(biāo)準(zhǔn)中為20mH，50KHz阻抗為6.28KΩ，回路SURGE電流為約0.3A，TVS管正常工作。

 

（3） CND對(duì)稱注入

 

標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有對(duì)A-GND是否連接進(jìn)行說(shuō)明，然而一般A-GND實(shí)驗(yàn)時(shí)時(shí)默認(rèn)連接的，只對(duì)對(duì)稱線線進(jìn)行注入實(shí)驗(yàn)。

 

◆A-GND不接：SURGE回路噪聲電流為0.15A左右。

 

◆A-GND接：與初始測(cè)試結(jié)果一直，無(wú)改善。

 

（4） 組網(wǎng)CAN端口直接注入

 

通過(guò)組網(wǎng)連接，使得AE設(shè)備對(duì)SURGE噪聲電流分流，但每個(gè)TVS管子電流約為4.8A，超過(guò)最大Ipp，存在損壞風(fēng)險(xiǎn)。

 

綜上對(duì)測(cè)試方法的說(shuō)明，解決方案有二：

 

◆不接A-GND，進(jìn)行CDN注入；

 

◆按照非對(duì)稱進(jìn)行注入；

 

7. 不同測(cè)試方法的應(yīng)用分析

 

各企業(yè)在SURGE的非屏蔽通訊端口測(cè)試中，以IEC61000-4-5為基礎(chǔ)，進(jìn)行了各自的適應(yīng)性測(cè)試方法改善。主要有三種方式，參見(jiàn)表6所示。

 

表6 SURGE 非屏蔽通訊端口測(cè)試方法

 

 

EMC測(cè)試要結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，來(lái)定制適合的測(cè)試方法，才能真正的在設(shè)計(jì)端規(guī)避產(chǎn)品的使用風(fēng)險(xiǎn)，三種測(cè)試方法的應(yīng)用場(chǎng)景如下：

 

① 利用CDN的共模阻抗，進(jìn)行非組網(wǎng)的通訊端口注入測(cè)試

 

主要應(yīng)用在低要求場(chǎng)合，只要防護(hù)器件不損壞就可以，如二次供水。

 

② 利用CDN的共模阻抗，進(jìn)行組網(wǎng)的通訊端口注入測(cè)試

 

主要應(yīng)用在高要求，考量系統(tǒng)對(duì)SURGE的抗擾性，而非單體產(chǎn)品本身，要求通訊不能出錯(cuò)，如生產(chǎn)線。

 

③ 按照標(biāo)準(zhǔn)推薦，將CDN串入通訊線中進(jìn)行測(cè)試

 

將EUT與AE進(jìn)行隔離，主要為認(rèn)證測(cè)試的應(yīng)用。

 

8. 思考與啟示

 

（1） TVS管損壞原因?yàn)樵肼暬芈纷杩惯^(guò)低，使得SURGE電流過(guò)大，TVS管超限值而損壞，可以選用功率大而結(jié)電容相對(duì)較小的TVS管；

 

（2） 增大對(duì)PE的阻抗，可以去掉跨接TVS管，或減小跨接電容，或串跨接電阻等方法，提升阻抗值，使得SURGE電壓大部分加在跨接阻抗上；

 

（3） 產(chǎn)品設(shè)計(jì)要進(jìn)行噪聲路徑分析和SURGE電流估算，指導(dǎo)阻抗分配與器件的選型。

 

需要結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，來(lái)選擇測(cè)試方法，不要完全照搬標(biāo)準(zhǔn)要求，而缺乏系統(tǒng)化分析。