防护电路设计中不可忽视的盲点

1.概述

一个方案的设计，不单单要满足测试要求，也要满足实际应用需求，方案盲点往往是最容易被忽略的问题之一。所谓盲点，就是高于最大持续运行电压UC，但可引起一个多级防护电路不完全动作的工作点，这可造成防护电路中的一些元件遭受过载，导致防护失效。以下以一个实际的案例来进一步的说明。

2.问题描述

在防护电路设计领域，实战是最好的引证，下面讲述的是一个方案盲点的实际案例分析。

某客户的电源板，供电为AC24V，需要满足1.2/50-8/20μs，6KV-3KA的测试需求，初步验证方案时，是按照1KV、2KV、4KV、6KV验证的均能满足测试要求，但销售一段时间后，返修率较高，主要损坏是后级的TVS，方案图如图1所示：

图1  电源板原始设计防护方案

图2 电源板防护设计PCB图

为了找到TVS是否存在设计的缺陷，我们单独对方案做了如下低电压的测试，数据如下表1所示：

表1 验证原有方案

方案编号

测试

端口

防护器件

测试项目

测试结果

备注

1#

AC 24V

GDT+40V  600W TVS

1.2/50-8/20μs DM ±500V 60 "±5次

FAIL

TVS短路

1#

AC 24V

GDT+40V  600W TVS

1.2/50-8/20μs DM ±550V 60 "±5次

FAIL

TVS短路

1#

AC 24V

GDT+40V  600W TVS

1.2/50-8/20μs DM ±580V 60 "±5次

PASS

 

1#

AC 24V

GDT+40V  600W TVS

1.2/50-8/20μs DM ±600V 60 "±5次

PASS

 

1#

AC 24V

GDT+40V  600W TVS

1.2/50-8/20μs DM ±1KV 60 "±5次

PASS

 

1#

AC 24V

GDT+40V  600W TVS

1.2/50-8/20μs DM ±2KV 60 "±5次

PASS

 

1#

AC 24V

GDT+40V  600W TVS

1.2/50-8/20μs DM ±4KV 60 "±5次

PASS

 

1#

AC 24V

GDT+40V  600W TVS

1.2/50-8/20μs DM ±6KV 60 "±5次

PASS

 

从以上数据看，在500V~550V时，方案出现TVS损坏，当浪涌电压提升到580V~6KV时，防护方案能正常的起到防护作用，而且器件没有损坏，由此可见，该方案确实存在盲点，盲点就是在580V以下。

3.原因分析

当浪涌电压较高时，由于上升速率较快，di/dt较大，在电感两端的压降也比较大，所以放电管很快就导通，流到后级的能量较小，后级TVS承受的电流也比较小，所以后级没有损坏；当浪涌电压较低时，电流的上升速率di/dt较慢，电感两端的压降较小，GDT可能动作，或者没有动作，基本上电流都往后级流动，而600W TVS通流能力有限，导致TVS短路。

4.处理措施

由以上分析，该方案存在的问题就是TVS的通流能力较小，客户板子体积有限，不能增大体积，而且PCB为成品，重新layout成本较高。只能选择一颗比较合适的器件（同封装）、通流量较大的TVS。那么新器件的表现如何呢？我们单独对器件做如表2通流测试：

表2  单体TVS通流测试数据

产品编号

防护器件

测试项目

测试结果

备注

2#

BV-SMBJ58C2

1.2/50-8/20μs DM 300V 2? 60"±5次

PASS

 

2#

BV-SMBJ58C2

1.2/50-8/20μs DM 500V 2? 60"±5次

PASS

 

2#

BV-SMBJ58C2

1.2/50-8/20μs DM 1000V 2? 60"±5次

PASS

 

从以上数据可得，即使前级未动作，后级也可以扛住1KV-500A的通流能力，由于TVS电压变高了，TVS的后级能否承受这个残压呢？上板测试数据如表3所示：

表3 整改后方案上板测试数据

设备编号

测试端口

防护器件

测试项目

测试

结果

备注

1#

AC24V

GDT+BV-SMBJ58C2

1.2/50-8/20μs±300V  2? 60 "±5次

PASS

 

1#

AC24V

GDT+BV-SMBJ58C2

1.2/50-8/20μs±500V  2? 60 "±5次

PASS

 

1#

AC24V

GDT+BV-SMBJ58C2

1.2/50-8/20μs±1KV  2? 60 "±5次

PASS

 

1#

AC24V

GDT+BV-SMBJ58C2

1.2/50-8/20μs±2KV  2? 60 "±5次

PASS

 

1#

AC24V

GDT+BV-SMBJ58C2

1.2/50-8/20μs±4KV  2? 60 "±5次

PASS

 

1#

AC24V

GDT+BV-SMBJ58C2

1.2/50-8/20μs±6KV  2? 60 "±5次

PASS

 

由以上数据，方案从300V~6KV均能通过测试，致此，方案盲点消除！

5.经验总结

方案设计不能一味追求通过测试标准，需要综合考虑方案防护的各种情况，不单单要按照标准的测试，往往还需要考虑下后级与前级的配合问题，盲点只是其中一个方向！

解决方案盲点，首先要有能发现盲点的方法，唯一发现盲点的方法是通过实际测试，将测量电压降低到前级不动作的情况，看后级能否承受，如果可以承受，则方案不存在盲点；如果不能承受，则方案就有盲点，虽然能通过标准的要求，但在实际使用过程中也会出现问题，导致产品质量事件，造成不必要的直接经济损失与间接经济损失。     

 

 

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