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)理等分析說明

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電源對地跨接電容C和TVS管③；AE側(cè)對地?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

4.1SURGE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PE跨接電容C1和TVS3管→PE，如下圖2所示。

圖2SURGE噪聲回路示意圖

4.2SURGE噪聲頻譜分析

4.2.1SURGE的波形

根據(jù)IEC61000-4-5 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

4.2.2SURGE的頻譜特性分析

IEC61000-4-5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/十倍頻程時的頻率帶寬。SURGE電壓波形波前時間短，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

4.3TVS 管損壞分析

4.3.1TVS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)稱功率是極短時間內(nèi)對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，會導(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)，使得短時間積累的能量超過上限值，TVS管就會損壞，呈現(xiàn)短路失效模式。

4.3.2TVS管中的SURGE電流分析

（1）TVS管參數(shù)對比

TVS1和TVS2管型號均為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)

（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。

4.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.4.1TVS管阻抗測定

用萬用表對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

4.4.2SURGE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

4.5TVS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，就是要改變噪聲回路阻抗分布。方法有三種，參見表4。

表4 整改設(shè)計(jì)方法分析表

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

（1）對稱線的定義：

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

（2）CND非對稱注入：

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對稱注入

標(biāo)準(zhǔn)中沒有對A-GND是否連接進(jìn)行說明，然而一般A-GND實(shí)驗(yàn)時時默認(rèn)連接的，只對對稱線線進(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SURGE噪聲電流分流，但每個TVS管子電流約為4.8A，超過最大Ipp，存在損壞風(fēng)險。

綜上對測試方法的說明，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，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SURGE的抗擾性，而非單體產(chǎn)品本身，要求通訊不能出錯，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)電容相對較小的TVS管；

（2）增大對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。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：浪涌測試中通訊端口TVS管損壞機(jī)理分析

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