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本文主要舉例分析在對某設(shè)備在做浪涌測試時485芯片及其保護器件燒壞的現(xiàn)象，原因分析、解決措施、思考與啟示。

 

Part 1現(xiàn)象描述:浪涌測試的“連環(huán)兇殺案”

某產(chǎn)品遭遇離奇慘案——12V電源口做±2kV浪涌測試，竟讓隔壁485接口芯片暴斃！

尸檢報告顯示：485保護神TVS炸成煙花，通信芯片慘遭滅口，而主犯12V電源的保護電路卻在悠閑喝茶！

案發(fā)現(xiàn)場怪象：

12V電源口浪涌測試時，485接口飄出神秘焦糊味

氣體放電管（GDT）全程裝睡，TVS卻主動“擋槍”犧牲

PGND和GND像分居夫妻，全靠放電管“傳話”

 

Part 2原因分析：保護電路的“職場內(nèi)訌”

12V電源接口如下圖所示：

485接口的浪涌保護設(shè)計如下圖所示：

圖中, PGND是該產(chǎn)品的系統(tǒng)接地點, 即保護地。

GND是內(nèi)部電路工作地? 

在該產(chǎn)品 12V 電源接口中, PGND與GND沒有短接, 而將GND與PGND通過氣體放電管連接?

其設(shè)計的目的是當(dāng)電源接口有過壓浪涌出現(xiàn)時, 讓共模浪涌能量通過氣體放電管泄放? 

為什么會出現(xiàn)芯片燒壞的現(xiàn)象呢？接下來讓我們抽絲剝繭。

第一幕：GND的“三角虐戀”

解剖電路發(fā)現(xiàn)狗血劇情：

[死亡電流路徑]   

浪涌襲擊12V口 → TVS秒響應(yīng)(搶功) → 放電管還在睡懶覺 → 485芯片被誤殺  

關(guān)鍵證據(jù)：

TVS：響應(yīng)速度皮秒級（職場卷王）

放電管：響應(yīng)速度微秒級（躺平老干部）

共模電感：無辜吃瓜群眾（內(nèi)心OS：關(guān)我啥事？）

第二幕：接地系統(tǒng)的“分居危機”

PGND（保安室） 和 GND（總裁辦） 分家

靠放電管“傳話”，效率堪比驛站送信

485接口的TVS竟成“地下通道”

這樣, GND 和 PGND 之間相當(dāng)于形成了兩級保護: 

一級是放電管。

另一級是瞬變二極管 (TVS) 和共模電感。

有關(guān)共模電感、氣體放電管、TVS的詳細介紹，大家可以參考《EMC相關(guān)器件簡介——電感及共模電感》、《EMC相關(guān)器件簡介——防浪涌電路中的元器件之氣體放電管》、《EMC相關(guān)器件簡介——防浪涌電路中的元器件之TVS》。

由于兩級保護之間沒有協(xié)調(diào)退耦元件 (電感? 電阻等), 并且TVS 的響應(yīng)速度要快于放電管。

所以12V電源口進行共模±2kV試驗時 (即GND和 PGND 之間施加有過電壓), 485 的保護器件形成的二級保護電路將迅速導(dǎo)通, 而放電管實際上根本沒有動作, 從而沒有起到保護作用。

即12V 電源上的浪涌通過 485 的保護電路泄放, 電源本身保護電路沒有動作。

而且由于 485 后級保護電路的瞬變二極管的通流能力很小, 實際浪涌電流大于 485 保護電路后級 TVS 的通流能力, 導(dǎo)致 TVS 損壞, 并損壞 485 的通信芯片? 

 

Part 3處理措施：浪涌團隊的“整頓方案”

電磁和諧三招

1. 裁撤冗余部門：

一刀砍掉485二級保護TVS（POST05下崗）

效果：485接口抗浪涌能力反升至±4kV！測試通過

變形后的保護電路如下圖所示：

2. 家庭重組計劃：

PGND和GND直接復(fù)婚（短接）

效果：浪涌電流乖乖走專用泄放通道，也可以通過共模±2 kV 的浪涌測試?

3. 職場隔離術(shù)：

485前級保護TVS改接GND，切斷與PGND的曖昧關(guān)系

口訣：各找各媽，各守各家

效果：可以通過測試

 

Part 4思考與啟示：浪涌防護的“團隊管理術(shù)”

血淚經(jīng)驗包

1. 保護不是越多越好：

兩級TVS = 兩個保安互相指望對方抓賊

黃金法則：低速接口一級TVS足夠（485/CAN）

2. 接地關(guān)系要清爽：

PGND和GND要么離婚（隔離），要么復(fù)婚（短接）

切忌搞“分居曖昧”（通過器件連接），當(dāng)然有些器件除外，如有的在PGND和GND之間加RC并聯(lián)，起到靜電釋放以及隔離干擾的作用。

3. 三級防護哲學(xué)：

第一級：氣體放電管(抗雷神)，最慢

 第二級：壓敏電阻(打怪獸)  ，適中

第三級：TVS(清小兵)，最快

口訣：慢器件在前，快器件殿后

舉一反三技巧

遇到多接口產(chǎn)品，先畫 “浪涌電流路徑圖”

用萬用表蜂鳴檔檢查GND/PGND是否意外“偷情”

重要信號預(yù)留TVS焊盤，但先不貼裝（備而不用）