?【可靠性】雷擊浪涌導致單板TVS短路研究

硬件電子工程師

【摘要】
& X' _; [0 I/ n* D4 e: U# g4 I某設(shè)備采取集中供電系統(tǒng)，外界直流通過設(shè)備-48V直流電源模塊送電給背板，各槽位單板從背板直接取-48V，在單板進行DC-DC轉(zhuǎn)換成其他電壓供各芯片使用。直流電源模塊具備浪涌防護功能，但在應用中發(fā)現(xiàn)單板TVS被浪涌擊穿短路，而電源模塊完好無損的情況。針對這種現(xiàn)象進行了分析研究，找出了問題根源，并給出了相應的改進措施。
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一 問題提出：某設(shè)備采取集中供電系統(tǒng)，外界直流通過設(shè)備-48V直流電源模塊送電給背板，各槽位單板從背板直接取-48V，在單板進行DC-DC轉(zhuǎn)換成其他電壓供各芯片使用，如圖1所示。設(shè)備在現(xiàn)場正常運行時，突然發(fā)現(xiàn)一塊單板掉電，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)這塊單板上-48V電源區(qū)域保險絲（FU1）已經(jīng)斷路，線地之間的TVS（VD1）已經(jīng)短路。單板-48V電源防護圖如圖2所示。據(jù)此推斷，應該是TVS首先短路，造成-48V和PGND之間產(chǎn)生大電流，大電流造成保險絲熔斷，從而單板掉電。正常使用中TVS為何會短路呢？
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0 r. H+ W7 N( v* H# @' M/ r- W圖1 ：設(shè)備系統(tǒng)框圖

) s. q$ m( n4 }5 V+ G圖2 ：單板電源區(qū)域防護示意圖
  F/ z! K( h: l- p2 b& h( D二 問題分析：一個正常的TVS會在3種情況下失效短路：
（1）正向過電流
% R4 _; E! T" i5 C# ?8 I（2）反向過電壓
4 @: W1 x$ g' p! m& H（3）瞬間能量沖擊超過器件本身脈沖峰值功率
分析：
% L0 Q% J- T! T* g+ F（1）正向過電流
設(shè)備正常工作中，因為GNDP電壓永遠比-48V電壓高，TVS無法形成正向電流。所以該情況不會產(chǎn)生，排除；
（2）反向過電壓
" R0 V9 y6 [& j+ K0 l0 W據(jù)現(xiàn)場供電系統(tǒng)監(jiān)控日志反映，機房直流配電柜輸出一直很穩(wěn)定，電壓波動很小。另外從設(shè)備內(nèi)部儲存的信息看，輸入電壓一直沒有出現(xiàn)異常。另外在研發(fā)實驗室對此型號TVS進行反向高壓測試，一直到－80V，TVS都工作正常。據(jù)此推動，反向過電壓也不可能。
（3）瞬間能量沖擊超過器件本身脈沖峰值功率
理論上來自外界的瞬間能量沖擊，比如雷擊浪涌等，也不會直接作用到單板上，因為之前有直流電源模塊防護。產(chǎn)品在轉(zhuǎn)產(chǎn)認證時，都進行了相應的浪涌測試，設(shè)備表現(xiàn)都很正常。經(jīng)現(xiàn)場分析，這次出問題的設(shè)備機房是處在遠端機房，座落在一個半山腰，并且處于雷擊多發(fā)地區(qū)。是不是耦合到的雷擊能量過大引起TVS被擊穿短路？理論上即使沖擊能量大，首先損壞的應該是直流電壓模塊，單板應受到保護。可是實際情況確實電壓完好無損，單板TVS短路。帶著該疑問，在研發(fā)實驗室進行浪涌測試，看能否復現(xiàn)現(xiàn)場情況。

三 問題復現(xiàn)：在公司試驗室對該設(shè)備進行浪涌測試，測試應力逐步加強，觀察測試結(jié)果。
測試配置：該設(shè)備機框，業(yè)務板三塊，風扇插箱兩個，配一現(xiàn)場返回直流電源模塊和一正常直流電源模塊。
浪涌波形：1.2/50us(8/20us)，內(nèi)阻12Ω。
測試現(xiàn)象：

設(shè)備配從現(xiàn)場返回的直流電源，對電源口進行線地±2KV浪涌，結(jié)果電源正常，一塊單板出現(xiàn)-48V和PGND之間TVS短路，保險絲熔斷現(xiàn)象。

重新更換這塊單板TVS和保險絲，對線地打±4KV正常，打±6KV時，三塊板TVS全部短路，保險絲熔斷。

設(shè)備配一正常直流電源，更換三塊板TVS和保險絲，在對電源口打±6KV時，所有單板TVS短路，保險絲熔斷。

去掉三塊單板上所有TVS（VD1和VD2共6個），換上好的保險絲，對直流電源口打±6KV，共打了40次，單板正常。

拆開現(xiàn)場返回的直流電源和正常直流電源，查看內(nèi)部器件情況，發(fā)現(xiàn)兩個電源完全一樣，沒有任何損傷現(xiàn)象。測量器件參數(shù)也都正常。
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& n2 [+ [. B# X) l, Y( Y四 問題解決：通過上面的試驗發(fā)現(xiàn)，浪涌確實能造成單板TVS短路，而電源模塊沒有受損的現(xiàn)象，這和客戶現(xiàn)場看到的現(xiàn)象一樣。從實踐上論證了理論推斷的正確性。
但是從系統(tǒng)防護上來分析，理論上直流電源在整個設(shè)備防護最前端，對于外界能量沖擊，應首先動作，保護后面的單板。但實際中直流電源正常，單板卻被打壞了。對比直流電源的防護設(shè)計和單板上的防護設(shè)計，發(fā)現(xiàn)直流電源模塊上線地之間的防護只有壓敏電阻（圖3紅圈），線線之間才有TVS（圖3藍圈），而單板上線地既有TVS（圖2紅圈），又有壓敏電阻（圖2藍圈）。眾周所知，TVS響應時間比壓敏電阻相應時間塊，TVS可以達到pS級，而壓敏響應時間只有nS級別。會不會一個浪涌過來時，單板上TVS先動作，或者和壓敏同時動作。
2 H. t/ |; j$ k: V& g; C1 [于是在分別直流電源線地間壓敏電阻兩端和單板線地間TVS兩端采集浪涌波形。防止示波器被高壓打壞，只對直流電源口進行了2KV浪涌測試。測試波形如圖4。從圖4可以看出，直流電源上的壓敏電阻和單板上的TVS幾乎同時動作，共同分擔浪涌的能量。
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! i% H7 O3 Q2 N" {1 N3 |圖3 ：直流電源模塊防護示意圖
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, I8 A. b' x- `( l+ X1 h( C圖4 ：浪涌波形圖（黃色為電源上壓敏兩端波形，紫紅色為單板上TVS兩端波形。）
五 問題總結(jié)：至此問題原因基本明朗：
% _. A( H- H6 O1. 直流電源模塊的防護設(shè)計和單板-48V防護設(shè)計配合不合理，造成直流電源和單板共同承擔外界沖擊能量。
2．單板上TVS最大可以單獨承受1.5KV的浪涌。在設(shè)備進行轉(zhuǎn)產(chǎn)（1KV浪涌）和應用于環(huán)境良好的機房時，由于外界沖擊能量較小，即使TVS承受主要的沖擊，也在本身脈沖峰值功率以下，不會被擊穿短路。
& J% v, }! c+ D3. 如果設(shè)備放在防雷條件差的遠端機房，則可能感應能量大的雷擊浪涌，這種浪涌能量分擔到直流電源和單板上，當分擔到單板上的能量超過TVS承受能量時，則造成TVS短路。
注：在測試中出現(xiàn)過一次線地2KV時，造成一塊單板TVS擊穿短路，以后再也沒有復現(xiàn)，以后基本都是6KV時造成單板TVS擊穿短路。原因可能存在兩點：
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直流電源模塊防護器件沒來得及動作，能量全部到單板TVS上。（單板上TVS最大可以承受1.5KV的浪涌。）直流電源和單板都動作了，但主控上的TVS因為個別質(zhì)量問題，防護能量差，造成短路。
因為這種現(xiàn)象以后也未復現(xiàn)，最終原因只能是上面兩個之一。
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單板去掉TVS后，對待大能量浪涌，不會造成短路情況，設(shè)備工作正常。
針對測試結(jié)果和分析結(jié)論，對待目前已經(jīng)轉(zhuǎn)產(chǎn)發(fā)貨和正在研發(fā)的單板分別給出以下措施：

既有的轉(zhuǎn)產(chǎn)發(fā)貨的批量產(chǎn)品，在不改變PCB情況下，去掉單板上TVS。

對于正在改版和研發(fā)中的單板電源部分方案已經(jīng)結(jié)合具體直流電源模塊防護設(shè)計情況統(tǒng)一給出。單板新防護設(shè)計見圖5。
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2 S( s' D& H& K* m& M. a& a圖5 ：單板電源區(qū)域新防護示意圖