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路径分析是解决SURGE浪涌问题的第一要务

发布时间:2016-11-04 16:11:31 作者: 查看人数:3322


十月的成都已寒风逼人,但在成都举办的电磁兼容(EMC)与电路保护技术研讨会会场内却如火如荼,原来,是槟城电子技术营销在此分享了又一经典技术案例——路径分析是解决SURGE浪涌问题的第一要务。

       EMC(电磁兼容)是一门综合性学科,它的难点在于电磁场摸不见、看不到,还不安分,不按照你给予的设计路径走。电场转磁场、磁场转电场、空间辐射、线缆传导、线缆辐射、差模回路、共模电压等等,一系列专有名词让很多初学者甚至有经验的硬件工程师都望而却步。

       EMC最重要的一个理论就是EMC三要素:骚扰源、耦合路径、敏感源,三者缺一就无法行成有效骚扰。针对我们今天要交流的SURGE浪涌问题来说,其骚扰源是确定的——浪涌发生器输出波形;耦合路径——线缆为主+部分空间;敏感源——接口芯片为主+部分敏感信号。在所有EMC测试项目中,浪涌相对来说速率是比较低的,其高频分量干扰也相对较小,我们常用的测试波形1.2/50μs 、10/700μs都是μs级的波形,所以它的泄放路径我们在板子上是可以来规划的。良好的规划浪涌泄放路径可以有效的解决三要素中的耦合路径问题,对EMC问题就迎刃而解。

       电路上的浪涌保护设计常用的思路是两种,即疏和堵。所谓疏就是利用GDT、TSS、TVS等保护器件来提供低阻抗回路,把浪涌能量疏通泄放到大地上去,一些设计中并联电容也能起到疏的作用;而堵一般是利用电气隔离,用电感,电阻,串联电容等器件来实现。

        下面通过分析一个实际案例来说明下浪涌问题路径分析的重要性:

        测试设备:安防球型摄像机

        测试端口:AC24V端口(兼容DC12V供电)

        测试等级:1.2/50μs 差模(2Ω) : 3KV    共模(12Ω) : 6KV 。

        测试现象:雷击测试后电路损坏,无法正常工作。

        原始电路接口保护方案:

 


分析与整改:

        查看电路,发现原AC24V电路设计上只做了气体管一级防护,且后级电路是DC-DC芯片并非FlyBack电路众所周知,DC-DC芯片的耐压能力相对于FlyBack电路来说是要低很多的。另外此电源板共模电感感值在1mH,其漏感所引起的差模电感分量是很小的,未起到足够的退耦作用。所以测试过程中出现了电路损坏现象。量测DC-DC芯片的电源管脚与地,阻抗确实发生变化,验证了上述分析。  


       优化方案如下图所示

        共模电感后极增加TVS管做二级保护,TVS选型可以用BV-SMCJ58CA,BV-SMDJ58CA,BV-5SMDJ58CA,实际选用功率大小与PTC、共模电感退耦有关系。  

        更改电路,由于原PCB空间限制,实际电路选用了槟城BV-SMBJ58C2H,SMB封装,功率达到3000W,相当于BV-SMDJ58CA。测试雷击AC24V电源口AC24VA测试通过,AC24VB测试后设备损坏,详细检查电路后发现整流桥二极管烧毁。

        新问题:优化保护方案后,测试AC24VB线时出现整流桥烧毁,更换整流桥后工作正常,DC-DC芯片正常。

        分析:简化电路,接口处直接焊接5000W的BV-5SMDJ36CA在接口处,如下图所示三颗分别做差模、共模保护。(选用36V 5000W是为了控制残压在DC-DC芯片耐压要求内,仅仅只为定位问题而采取的措施。实际选型需大于AC24V峰值电压24V*1.414*1.2=40.7V)

        为了简化先用裸电源板上做了以下实验(未接设备机壳):

        实验一:测试L-PE 6KV,测试后检验设备,工作正常;

        实验二:测试N-PE 6KV,测试后检验设备,工作正常;

        以上实验做完发现测试正常未损坏。查看电路板分析,在整机中电源板的螺孔都是固定在整机结构上的,整机结构是金属件,所以他们是连在一起的属性,所以采用导线把两个螺孔连在在一起,模拟实际地回路。(备注下图上螺孔为PE地,下螺孔为数字地)

        实验三: 测试L-PE  6KV,测试后检验设备,工作正常;

        实验四: 测试N-PE  6KV,测试后检验设备,工作异常,整流桥二极管损坏;

        实验五: 测试N-PE  +6KV,测试后检验设备,工作正常;

        实验六: 测试N-PE  -6KV,测试后检验设备,工作异常,整流桥二极管损坏;

        分析上述实验结果:

        1、通过实验一、二与实验室三、四可以得出数字地与PE地相连影响测试结果。

        2、通过实验五、六对比是N-PE 负向电压脉冲导致二极管损坏。

       分析浪涌能量回流路径


        如上图黄色所示为N-PE +6KV测试时的能量流经图,大能量从AV24VB开始大部分通过TVS管泄放到地,另一部分能量通过后极整流桥D18通过DC33V与地的电容流经,由于电容隔离在,因此后极泄放的能量很小,不至于把整流桥搞坏。测试结果为通过。

        如上图绿色所示为N-PE -6KV测试时的能量流经图,一部分能量从PE端通过TVS管到AC24VB端(AC24VB端施加负电压时,PE端为高电平);另一部分能量从PE端通过数字地(PE地与数字地在结构上相通)到D17整流二极管,再到AC24VB端,此路径是一个低阻抗路径,所以大部分能量会通过此路径通过。导致D17二极管损坏,此分析的管子损坏位置与实际实验测试相符。

        另外在实验室把D17通流量加大能通过测试;在AC24VB端串PTC,同样能通过测试。这两个实验进一步验证了理论分析的准确性。    


总 结:

        1:浪涌防护设计中路径分析最重要。规划好泄放路径,设计出来的保护方案自然能成功;分析好泄放路径,问题点自然清晰可见,对症下药,药到病除。  

        2: 针对此AC24V电源方案,由于其采用了DC-DC芯片转换,所以整流桥负极性的地与后极数字地是必须相连的,这与FlyBack电路不同,所以其防护设计需要特别考虑从数字地通过整流桥到接口的路径。

        3:两级保护的退耦方式较多,可以用PTC,差模电感,共模电感,可以根据电路可靠性要求,布板面积要求等来进行调节。优先差模电感:成本一般,功率损耗小;次选共模的电感:成本高,体积大,后续TVS需求功率大,但是对EMC的性能提升很大;最后PTC:因为其稳定性不好,阻抗会根据环境温度变化,会产品一定的功耗,其优点是成本低于前者。

        4:针对AC24V电源口GDT选型,在安防行业里AC24V接口往往是需要兼容DC12V供电设计的,而两种供电方式中用到是同一套方案。所以当DC12V供电时对接口GDT的要求是其弧光压必须大于12V,否则会有续流风险。这一点也是很多工程师比较容易忽略的。

        附录:AC24V电源口槟城电子推荐方案


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