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路徑分析是解決SURGE浪涌問題的第一要務

發布時間:2016-11-04 16:11:31 作者: 查看人數:5584


十月的成都已寒風逼人,但在成都舉辦的電磁兼容(EMC)與電路保護技術研討會會場內卻如火如荼,原來,是檳城電子技術營銷在此分享了又一經典技術案例——路徑分析是解決SURGE浪涌問題的第一要務。

       EMC(電磁兼容)是一門綜合性學科,它的難點在于電磁場摸不見、看不到,還不安分,不按照你給予的設計路徑走。電場轉磁場、磁場轉電場、空間輻射、線纜傳導、線纜輻射、差模回路、共模電壓等等,一系列專有名詞讓很多初學者甚至有經驗的硬件工程師都望而卻步。

       EMC最重要的一個理論就是EMC三要素:騷擾源、耦合路徑、敏感源,三者缺一就無法行成有效騷擾。針對我們今天要交流的SURGE浪涌問題來說,其騷擾源是確定的——浪涌發生器輸出波形;耦合路徑——線纜為主+部分空間;敏感源——接口芯片為主+部分敏感信號。在所有EMC測試項目中,浪涌相對來說速率是比較低的,其高頻分量干擾也相對較小,我們常用的測試波形1.2/50μs 、10/700μs都是μs級的波形,所以它的泄放路徑我們在板子上是可以來規劃的。良好的規劃浪涌泄放路徑可以有效的解決三要素中的耦合路徑問題,對EMC問題就迎刃而解。

       電路上的浪涌保護設計常用的思路是兩種,即疏和堵。所謂疏就是利用GDT、TSS、TVS等保護器件來提供低阻抗回路,把浪涌能量疏通泄放到大地上去,一些設計中并聯電容也能起到疏的作用;而堵一般是利用電氣隔離,用電感,電阻,串聯電容等器件來實現。

        下面通過分析一個實際案例來說明下浪涌問題路徑分析的重要性:

        測試設備:安防球型攝像機

        測試端口:AC24V端口(兼容DC12V供電)

        測試等級:1.2/50μs 差模(2Ω) : 3KV    共模(12Ω) : 6KV 。

        測試現象:雷擊測試后電路損壞,無法正常工作。

        原始電路接口保護方案:

 


分析與整改:

        查看電路,發現原AC24V電路設計上只做了氣體管一級防護,且后級電路是DC-DC芯片并非FlyBack電路眾所周知,DC-DC芯片的耐壓能力相對于FlyBack電路來說是要低很多的。另外此電源板共模電感感值在1mH,其漏感所引起的差模電感分量是很小的,未起到足夠的退耦作用。所以測試過程中出現了電路損壞現象。量測DC-DC芯片的電源管腳與地,阻抗確實發生變化,驗證了上述分析。  


       優化方案如下圖所示

        共模電感后極增加TVS管做二級保護,TVS選型可以用BV-SMCJ58CA,BV-SMDJ58CA,BV-5SMDJ58CA,實際選用功率大小與PTC、共模電感退耦有關系。  

        更改電路,由于原PCB空間限制,實際電路選用了檳城BV-SMBJ58C2H,SMB封裝,功率達到3000W,相當于BV-SMDJ58CA。測試雷擊AC24V電源口AC24VA測試通過,AC24VB測試后設備損壞,詳細檢查電路后發現整流橋二極管燒毀。

        新問題:優化保護方案后,測試AC24VB線時出現整流橋燒毀,更換整流橋后工作正常,DC-DC芯片正常。

        分析:簡化電路,接口處直接焊接5000W的BV-5SMDJ36CA在接口處,如下圖所示三顆分別做差模、共模保護。(選用36V 5000W是為了控制殘壓在DC-DC芯片耐壓要求內,僅僅只為定位問題而采取的措施。實際選型需大于AC24V峰值電壓24V*1.414*1.2=40.7V)

        為了簡化先用裸電源板上做了以下實驗(未接設備機殼):

        實驗一:測試L-PE 6KV,測試后檢驗設備,工作正常;

        實驗二:測試N-PE 6KV,測試后檢驗設備,工作正常;

        以上實驗做完發現測試正常未損壞。查看電路板分析,在整機中電源板的螺孔都是固定在整機結構上的,整機結構是金屬件,所以他們是連在一起的屬性,所以采用導線把兩個螺孔連在在一起,模擬實際地回路。(備注下圖上螺孔為PE地,下螺孔為數字地)

        實驗三: 測試L-PE  6KV,測試后檢驗設備,工作正常;

        實驗四: 測試N-PE  6KV,測試后檢驗設備,工作異常,整流橋二極管損壞;

        實驗五: 測試N-PE  +6KV,測試后檢驗設備,工作正常;

        實驗六: 測試N-PE  -6KV,測試后檢驗設備,工作異常,整流橋二極管損壞;

        分析上述實驗結果:

        1、通過實驗一、二與實驗室三、四可以得出數字地與PE地相連影響測試結果。

        2、通過實驗五、六對比是N-PE 負向電壓脈沖導致二極管損壞。

       分析浪涌能量回流路徑


        如上圖黃色所示為N-PE +6KV測試時的能量流經圖,大能量從AV24VB開始大部分通過TVS管泄放到地,另一部分能量通過后極整流橋D18通過DC33V與地的電容流經,由于電容隔離在,因此后極泄放的能量很小,不至于把整流橋搞壞。測試結果為通過。

        如上圖綠色所示為N-PE -6KV測試時的能量流經圖,一部分能量從PE端通過TVS管到AC24VB端(AC24VB端施加負電壓時,PE端為高電平);另一部分能量從PE端通過數字地(PE地與數字地在結構上相通)到D17整流二極管,再到AC24VB端,此路徑是一個低阻抗路徑,所以大部分能量會通過此路徑通過。導致D17二極管損壞,此分析的管子損壞位置與實際實驗測試相符。

        另外在實驗室把D17通流量加大能通過測試;在AC24VB端串PTC,同樣能通過測試。這兩個實驗進一步驗證了理論分析的準確性。    


總 結:

        1:浪涌防護設計中路徑分析最重要。規劃好泄放路徑,設計出來的保護方案自然能成功;分析好泄放路徑,問題點自然清晰可見,對癥下藥,藥到病除。  

        2: 針對此AC24V電源方案,由于其采用了DC-DC芯片轉換,所以整流橋負極性的地與后極數字地是必須相連的,這與FlyBack電路不同,所以其防護設計需要特別考慮從數字地通過整流橋到接口的路徑。

        3:兩級保護的退耦方式較多,可以用PTC,差模電感,共模電感,可以根據電路可靠性要求,布板面積要求等來進行調節。優先差模電感:成本一般,功率損耗小;次選共模的電感:成本高,體積大,后續TVS需求功率大,但是對EMC的性能提升很大;最后PTC:因為其穩定性不好,阻抗會根據環境溫度變化,會產品一定的功耗,其優點是成本低于前者。

        4:針對AC24V電源口GDT選型,在安防行業里AC24V接口往往是需要兼容DC12V供電設計的,而兩種供電方式中用到是同一套方案。所以當DC12V供電時對接口GDT的要求是其弧光壓必須大于12V,否則會有續流風險。這一點也是很多工程師比較容易忽略的。

        附錄:AC24V電源口檳城電子推薦方案


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