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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-10-21 16:53
1. 引言
獨(dú)學(xué)而無友，則孤陋而寡聞。
本文以SURGE測試中通訊端口防護(hù)器件損壞為例，進(jìn)行損壞機(jī)理分析、不同測試方法帶來的影響分析、不同應(yīng)用場景的測試方法選擇，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CAN通訊線與AE設(shè)備連接，互連線長度10m；
測試端口：CAN端口，±1KV，阻抗42Ω；
端口防護(hù)說明：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的典型開路電壓波形參數(shù)為1.2/50us。參見圖3所示：
圖3 SURGE發(fā)生器開路電壓波形
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管過流燒毀，呈現(xiàn)短路失效模式。
（2）積累的能量超過上限值
實(shí)際測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)參見下表2。
表2 回路阻抗參數(shù)
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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 |
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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CAN-H和CAN-L的TVS管電流各為8A-9.85A左右，超過了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管阻抗測定
用萬用表對(duì)TVS1和 TVS 3管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前后的阻抗測定，參見表3。
在多次實(shí)驗(yàn)后，TVS1管的阻抗越來越小，最終失效短路。
表3 TVS管阻抗測定
|
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 |
開路 |
實(shí)驗(yàn)前 |
開路 |
|
一次SURGE實(shí)驗(yàn) |
65Ω |
一次SURGE實(shí)驗(yàn) |
開路 |
|
二次SURGE實(shí)驗(yàn) |
16Ω |
二次SURGE實(shí)驗(yàn) |
開路 |
|
三次SURGE實(shí)驗(yàn) |
0.1Ω |
三次SURGE實(shí)驗(yàn) |
開路 |
4.4.2 SURGE實(shí)驗(yàn)波形抓取
SURGE實(shí)測噪聲回路電流峰值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)測波形參見圖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管損壞問題，就是要改變?cè)肼暬芈纷杩狗植?。方法有三種，參見表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 |
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◆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 |
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◆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. 從測試端解決方案分析
SURGE測試不同實(shí)驗(yàn)方法如下表5所示。
表5不同的測試方法
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)中沒有對(duì)A-GND是否連接進(jìn)行說明，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：與初始測試結(jié)果一直，無改善。
（4） 組網(wǎng)CAN端口直接注入
通過組網(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，超過最大Ipp，存在損壞風(fēng)險(xiǎn)。
綜上對(duì)測試方法的說明，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. 不同測試方法的應(yīng)用分析
各企業(yè)在SURGE的非屏蔽通訊端口測試中，以IEC61000-4-5為基礎(chǔ)，進(jìn)行了各自的適應(yīng)性測試方法改善。主要有三種方式，參見表6所示。
表6 SURGE 非屏蔽通訊端口測試方法
EMC測試要結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用場景，來定制適合的測試方法，才能真正的在設(shè)計(jì)端規(guī)避產(chǎn)品的使用風(fēng)險(xiǎn)，三種測試方法的應(yīng)用場景如下：
① 利用CDN的共模阻抗，進(jìn)行非組網(wǎng)的通訊端口注入測試
主要應(yīng)用在低要求場合，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)行測試
將EUT與AE進(jìn)行隔離，主要為認(rèn)證測試的應(yīng)用。
8. 思考與啟示
（1） TVS管損壞原因?yàn)樵肼暬芈纷杩惯^低，使得SURGE電流過大，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)用場景，來選擇測試方法，不要完全照搬標(biāo)準(zhǔn)要求，而缺乏系統(tǒng)化分析。
來源：電磁兼容EMC
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