浪涌测试中通讯端口TVS管损坏机理分析
电磁兼容EMC 2022-09-23

1. 引言

独学而无友,则孤陋而寡闻。

本文以SURGE测试中通讯端口防护器件损坏为例,进行损坏机理分析、不同测试方法带来的影响分析、不同应用场景的测试方法选择,以及SURGE防护设计中的注意点等内容进行分析说明。

2. 背景介绍

某机车控制器的通讯端口进行±1KV等级的SURGE测试,出现通讯端口防护器件TVS管损坏情况。

3. 系统组网

组网:某机车控制器(EUT),通过CAN通讯线与AE设备连接,互连线长度10m

测试端口:CAN端口,±1KV,阻抗42Ω;

端口防护说明:EUTCAN端口TVS管防护①;AECAN端口TVS管防护②;EUT15V电源对地跨接电容CTVS管③;AE侧对地无跨接防护④;

端口注入方法:断开与AE相连的CAN-HCAN-L,但A-GND保持与AE设备相连。

接地说明:CAN参考地为A-GNDAE设备的通讯参考与电源的参考地为A-GNDAEEUTDC15V供电,DC15V的参考地为P-GND。测试组网如图1所示。

 

1 组网图

实验现象:在多次SURGE测试中发现, EUT端口TVS管被打坏,但并不是每次试验都能复现,试验次数越多,越容易复现。

4. TVS管损坏的机理分析

4.1 SURGE干扰的路径分析

CAN电路的参考地为A-GNDAE设备的电源参考地为A-GND EUT15V电源地为P-GND,因EUTDC15VAE进行供电,使得A-GNDP-GND进行了互连,且P-GNDPE有跨接TVS管和电容,使得SURGE噪声沿着低阻抗路径流到大地。

SURGE噪声干扰路径:SURGE发生器→CDNZin→通讯TVS1→通讯线地线Zline→电源地线Zline→对PE跨接电容C1TVS3PE,如下图2所示。

 

2 SURGE噪声回路示意图

4.2 SURGE噪声频谱分析

4.2.1 SURGE的波形

根据IEC 61000-4-5 2019标准中SURGE的典型开路电压波形参数为1.2/50us。参见图3所示:

 

3 SURGE发生器开路电压波形

4.2.2 SURGE的频谱特性分析

IEC 61000-4-5中描述SURGEBW带宽是指频域波形的下降沿斜率开始达到-60dB/十倍频程时的频率带宽。SURGE电压波形波前时间短,包含的频带较宽,SURGEBW达到了2MHz,但主要能量集中在频率较低的频段,幅值频谱分析表明SURGE呈现低频特征(50KHz-40dB),参见图4所示。

4 Voltage surge (1,2/50 µs): spectral response with ∆f = 3,333 kHz

4.3 TVS 管损坏分析

4.3.1 TVS管损坏模式

TVS管损坏模式有两种:

1)单次能量超过额定功率

TVS的标称功率是极短时间内对 TVS 施加的单次脉冲能量,施加的噪声波形能量大于额定功率时,会导致TVS管过流烧毁,呈现短路失效模式。

2)积累的能量超过上限值

实际测试中施加的噪声波形通常是重复地出现,使得短时间积累的能量超过上限值,TVS管就会损坏,呈现短路失效模式。

4.3.2 TVS管中的SURGE电流分析

1TVS管参数对比

TVS1TVS2管型号均为PESD1CAN,其Ipp3A20uf脉冲功率为200W50us脉宽功率约为130WTVS3管的型号为SD05C,其Ipp24A20uf脉冲功率为350W50us的脉冲脉宽功率约为210WTVS3的功率和通流能力优于TVS1TVS参数表参见表1

1 TVS规格参数表

2)噪声回路参数

根据图3的路径分析及表1参数表,可计算出回路阻抗参数参见下表2

2 回路阻抗参数

符号

参数

线路阻抗

(在TVS1管最大3A下进行计算)

含义

Zin

42Ω

2Ω差模+40Ω共模

信号线注入阻抗

Zline

3.1Ω

Zline=10m*1uH/m*2π*50KHz=3.1Ω

线路阻抗1uH/m

Zc1

32Ω

Zc1=1/(2π*50KHz*0.1uf=31.8Ω

对地跨接电容C1,噪声频率50KHz

ZTVS1

23.3Ω

ZTVS1=70V/3A=23.,型号PESD1CAN(NXP)

CAN电路保护TVS

ZTVS3

2.7Ω

ZTVS3=8V/3A=2.7Ω,型号SD05C

对地跨接TVS

 

3) 回路SURGE电流计算:

TVS1管最大3A阻抗条件下计算分析:

Isurge=Vsurge/(Zin +ZTVS1// ZTVS1+2*Zline+Zc1//ZTVS3)=16A

TVS1管短路失效条件下计算:

Isurge= Vsurge/(Zin +2*Zline+Zc1//ZTVS3)=19.7A

SURGE噪声在回路中的电流范围在16A~19.7A之间,流过CAN-HCAN-LTVS管电流各为8A-9.85A左右,超过了TVS1的最大Ipp3A),但小于TVS3Ipp(24A)。从计算分析可知,TVS1承受超额SURGE电流,有较大的损坏风险。

4.4 实验验证

4.4.1 TVS管阻抗测定

用万用表对TVS1 TVS 3管进行实验前后的阻抗测定,参见表3

在多次实验后,TVS1管的阻抗越来越小,最终失效短路。

3 TVS管阻抗测定

TVS1

TVS3

试验次数

阻抗值

试验次数

阻抗值

实验前

开路

实验前

开路

一次SURGE实验

65Ω

一次SURGE实验

开路

二次SURGE实验

16Ω

二次SURGE实验

开路

三次SURGE实验

0.1Ω

三次SURGE实验

开路

4.4.2 SURGE实验波形抓取

SURGE实测噪声回路电流峰值19.2A,脉宽55.3usCAN-HCAN-LTVS1管个分流9.6A,与理论计算相匹配,验证分析的准确性。实测波形参见图5

 

5 回路噪声电流

4.5 TVS管损坏的机理分析小结

115V参考地P-GNDCAN的参考地A-GND连接到一起,使得SURGE噪声可以通过P-GND的对地跨接流到大地;

2SURGE的噪声带宽可达到2MHz,但一般能量集中在低频段50KHz左右;

3TVS管损损坏模式有两种,超额定或多次能量叠加导致的短路损坏,本文为典型超额定而导致的RVS管损坏。

4)噪声回路的SURGE电流理论计算与实测相对应,结合理论计算可帮助产品在前期理论模型阶段的防护器件设计选型。

5. 从产品端解决方案分析

综合以上分析,从产品端解决CAN通讯口TVS管损坏问题,就是要改变噪声回路阻抗分布。方法有三种,参见表4

4 整改设计方法分析表

整改设计方法

可落地措施

备注

提高TVS管的耐流能力

TVS1管替换成TVS3

结电容变大17pf→350pf,会影响通讯信号质量

提高P-GNDPE的阻抗

去掉对地跨接TVS

TVS管变为1MΩ电阻

地电位差防护变差

噪声回路的线路去耦

线路地线去耦

改变通讯地阻抗,共地阻抗风险

6. 从测试端解决方案分析

SURGE测试不同实验方法如下表5所示。

5不同的测试方法

业界对CAN485232等通讯电路是否为平衡线对有不同的看法,导致使用不同的CDN,产生不同的测试结果。

(1) 对称线的定义:

差模到共模转换损耗大于20DB的平衡对线,一般由芯片厂家确定。

(2) CND对称注入

A-GND进行了去耦,老板标准中为20mH50KHz阻抗为6.28KΩ,回路SURGE电流为约0.3ATVS管正常工作。

(3) CND对称注入

标准中没有对A-GND是否连接进行说明,然而一般A-GND实验时时默认连接的,只对对称线线进行注入实验。

A-GND不接:SURGE回路噪声电流为0.15A左右。

A-GND接:与初始测试结果一直,无改善。

(4) 组网CAN端口直接注入

通过组网连接,使得AE设备对SURGE噪声电流分流,但每个TVS管子电流约为4.8A,超过最大Ipp,存在损坏风险。

综上对测试方法的说明,解决方案有二:

◆不接A-GND,进行CDN注入;

◆按照非对称进行注入;

7. 不同测试方法的应用分析

各企业在SURGE的非屏蔽通讯端口测试中,以IEC61000-4-5为基础,进行了各自的适应性测试方法改善。主要有三种方式,参见表6所示。

6 SURGE 非屏蔽通讯端口测试方法

EMC测试要结合产品的实际应用场景,来定制适合的测试方法,才能真正的在设计端规避产品的使用风险,三种测试方法的应用场景如下:

① 利用CDN的共模阻抗,进行非组网的通讯端口注入测试

主要应用在低要求场合,只要防护器件不损坏就可以,如二次供水。

② 利用CDN的共模阻抗,进行组网的通讯端口注入测试

主要应用在高要求,考量系统对SURGE的抗扰性,而非单体产品本身,要求通讯不能出错,如生产线。

③ 按照标准推荐,将CDN串入通讯线中进行测试

EUTAE进行隔离,主要为认证测试的应用。

8. 思考与启示

(1) TVS管损坏原因为噪声回路阻抗过低,使得SURGE电流过大,TVS管超限值而损坏,可以选用功率大而结电容相对较小的TVS管;

(2) 增大对PE的阻抗,可以去掉跨接TVS管,或减小跨接电容,或串跨接电阻等方法,提升阻抗值,使得SURGE电压大部分加在跨接阻抗上;

(3) 产品设计要进行噪声路径分析和SURGE电流估算,指导阻抗分配与器件的选型。

需要结合产品的实际应用场景,来选择测试方法,不要完全照搬标准要求,而缺乏系统化分析。


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