1. 引言

    獨(dú)學(xué)而無(wú)友，則孤陋而寡聞。 本文以SURGE測(cè)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(cè)試方法帶來(lái)的影響分析、不同應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)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(shuō)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(cè)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(guò)CAN通訊線與AE設(shè)備連接，互連線長(zhǎng)度10m； 測(cè)試端口：CAN端口，±1KV，阻抗42Ω； 端口防護(hù)說(shuō)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(shuō)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(cè)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(cè)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 ?s): 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(guò)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(guò)流燒毀，呈現(xiàn)短路失效模式。

    （2）積累的能量超過(guò)上限值 實(shí)際測(cè)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(guò)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)

    符號(hào)參數(shù)線路阻抗 （在TVS1管  3A下進(jìn)行計(jì)算）含義

    Zin42Ω2Ω差模+40Ω共模信號(hào)線注入阻抗

    Zline3.1ΩZline=10m*1uH/m*2π*50KHz=3.1Ω線路阻抗1uH/m

    Zc132ΩZc1=1/(2π*50KHz*0.1uf=31.8Ω對(duì)地跨接電容C1，噪聲頻率50KHz

    ZTVS123.3ΩZTVS1=70V/3A=23.3Ω，型號(hào)PESD1CAN(NXP)CAN電路保護(hù)TVS管

    ZTVS32.7ΩZTVS3=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  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(guò)CAN-H和CAN-L的TVS管電流各為8A-9.85A左右，超過(guò)了TVS1的  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(cè)定

    用萬(wàn)用表對(duì)TVS1和 TVS 3管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前后的阻抗測(cè)定，參見表3。 在多次實(shí)驗(yàn)后，TVS1管的阻抗越來(lái)越小，  終失效短路。

    表3 TVS管阻抗測(cè)定

    TVS1TVS3

    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

      SURGE實(shí)驗(yàn)65Ω  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(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(wèn)題，就是要改變?cè)肼暬芈纷杩狗植肌７椒ㄓ腥N，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

    ◆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

    ◆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(cè)試端解決方案分析 SURGE測(cè)試不同實(shí)驗(yàn)方法如下表5所示。 表5不同的測(cè)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(cè)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(shuō)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(cè)試結(jié)果一直，無(wú)改善。

    （4） 組網(wǎng)CAN端口直接注入 通過(guò)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(guò)  Ipp，存在損壞風(fēng)險(xiǎn)。 綜上對(duì)測(cè)試方法的說(shuō)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(cè)試方法的應(yīng)用分析

    各企業(yè)在SURGE的非屏蔽通訊端口測(cè)試中，以IEC61000-4-5為基礎(chǔ)，進(jìn)行了各自的適應(yīng)性測(cè)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(cè)試方法

    EMC測(cè)試要結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，來(lái)定制適合的測(cè)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(cè)試方法的應(yīng)用場(chǎng)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(cè)試 主要應(yīng)用在低要求場(chǎng)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(cè)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(cè)試 將EUT與AE進(jìn)行隔離，主要為  測(cè)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^(guò)低，使得SURGE電流過(guò)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(chǎng)景，來(lái)選擇測(cè)試方法，不要完全照搬標(biāo)準(zhǔn)要求，而缺乏系統(tǒng)化分析。