?【可靠性】雷擊浪涌導(dǎo)致單板TVS短路研究

硬件電子工程師

【摘要】
- Z* p& u; W0 Q某設(shè)備采取集中供電系統(tǒng)，外界直流通過(guò)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(jìn)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(hù)功能，但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)單板TVS被浪涌擊穿短路，而電源模塊完好無(wú)損的情況。針對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究，找出了問(wèn)題根源，并給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

一 問(wèn)題提出：某設(shè)備采取集中供電系統(tǒng)，外界直流通過(guò)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(jìn)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(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)，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(xiǎn)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(hù)圖如圖2所示。據(jù)此推斷，應(yīng)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(xiǎn)絲熔斷，從而單板掉電。正常使用中TVS為何會(huì)短路呢？

& }! t" i  @# c圖1 ：設(shè)備系統(tǒng)框圖
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* B5 Y& s* T4 k, D  g; t圖2 ：?jiǎn)伟咫娫磪^(qū)域防護(hù)示意圖
二 問(wèn)題分析：一個(gè)正常的TVS會(huì)在3種情況下失效短路：
9 {3 \' x& a. w8 ^$ Y（1）正向過(guò)電流
（2）反向過(guò)電壓
（3）瞬間能量沖擊超過(guò)器件本身脈沖峰值功率
5 W) N# f8 ~2 k分析：
（1）正向過(guò)電流
設(shè)備正常工作中，因?yàn)镚NDP電壓永遠(yuǎn)比-48V電壓高，TVS無(wú)法形成正向電流。所以該情況不會(huì)產(chǎn)生，排除；
（2）反向過(guò)電壓
) V% C( V$ E1 [4 a) I5 V- W4 }據(jù)現(xiàn)場(chǎng)供電系統(tǒng)監(jiān)控日志反映，機(jī)房直流配電柜輸出一直很穩(wěn)定，電壓波動(dòng)很小。另外從設(shè)備內(nèi)部?jī)?chǔ)存的信息看，輸入電壓一直沒(méi)有出現(xiàn)異常。另外在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室對(duì)此型號(hào)TVS進(jìn)行反向高壓測(cè)試，一直到－80V，TVS都工作正常。據(jù)此推動(dòng)，反向過(guò)電壓也不可能。
! n! W, e0 E' \（3）瞬間能量沖擊超過(guò)器件本身脈沖峰值功率
3 e0 i1 f8 H8 W0 i# l: D2 \1 Y理論上來(lái)自外界的瞬間能量沖擊，比如雷擊浪涌等，也不會(huì)直接作用到單板上，因?yàn)橹�前有直流電源模塊防護(hù)。產(chǎn)品在轉(zhuǎn)產(chǎn)認(rèn)證時(shí)，都進(jìn)行了相應(yīng)的浪涌測(cè)試，設(shè)備表現(xiàn)都很正常。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析，這次出問(wèn)題的設(shè)備機(jī)房是處在遠(yuǎn)端機(jī)房，座落在一個(gè)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(guò)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(yīng)該是直流電壓模塊，單板應(yīng)受到保護(hù)�？墒菍�(shí)際情況確實(shí)電壓完好無(wú)損，單板TVS短路。帶著該疑問(wèn)，在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行浪涌測(cè)試，看能否復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)情況。
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' O/ v( D' W. {5 [三 問(wèn)題復(fù)現(xiàn)：在公司試驗(yàn)室對(duì)該設(shè)備進(jìn)行浪涌測(cè)試，測(cè)試應(yīng)力逐步加強(qiáng)，觀察測(cè)試結(jié)果。
測(cè)試配置：該設(shè)備機(jī)框，業(yè)務(wù)板三塊，風(fēng)扇插箱兩個(gè)，配一現(xiàn)場(chǎng)返回直流電源模塊和一正常直流電源模塊。
4 b( `: I) M& t  r6 U$ {- M- m* U浪涌波形：1.2/50us(8/20us)，內(nèi)阻12Ω。
測(cè)試現(xiàn)象：

設(shè)備配從現(xiàn)場(chǎng)返回的直流電源，對(duì)電源口進(jìn)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(xiǎn)絲熔斷現(xiàn)象。

重新更換這塊單板TVS和保險(xiǎn)絲，對(duì)線地打±4KV正常，打±6KV時(shí)，三塊板TVS全部短路，保險(xiǎn)絲熔斷。

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

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

拆開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)電源完全一樣，沒(méi)有任何損傷現(xiàn)象。測(cè)量器件參數(shù)也都正常。
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5 ~* C* S2 b1 N0 O四 問(wèn)題解決：通過(guò)上面的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浪涌確實(shí)能造成單板TVS短路，而電源模塊沒(méi)有受損的現(xiàn)象，這和客戶現(xiàn)場(chǎng)看到的現(xiàn)象一樣。從實(shí)踐上論證了理論推斷的正確性。
+ O" Z3 w: p; @$ H/ |! g但是從系統(tǒng)防護(hù)上來(lái)分析，理論上直流電源在整個(gè)設(shè)備防護(hù)最前端，對(duì)于外界能量沖擊，應(yīng)首先動(dòng)作，保護(hù)后面的單板。但實(shí)際中直流電源正常，單板卻被打壞了。對(duì)比直流電源的防護(hù)設(shè)計(jì)和單板上的防護(hù)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)直流電源模塊上線地之間的防護(hù)只有壓敏電阻（圖3紅圈），線線之間才有TVS（圖3藍(lán)圈），而單板上線地既有TVS（圖2紅圈），又有壓敏電阻（圖2藍(lán)圈）。眾周所知，TVS響應(yīng)時(shí)間比壓敏電阻相應(yīng)時(shí)間塊，TVS可以達(dá)到pS級(jí)，而壓敏響應(yīng)時(shí)間只有nS級(jí)別。會(huì)不會(huì)一個(gè)浪涌過(guò)來(lái)時(shí)，單板上TVS先動(dòng)作，或者和壓敏同時(shí)動(dòng)作。
& p) P5 a) x# T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(duì)直流電源口進(jìn)行了2KV浪涌測(cè)試。測(cè)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(shí)動(dòng)作，共同分擔(dān)浪涌的能量。
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8 H! e' Q, \. {圖3 ：直流電源模塊防護(hù)示意圖

1 v. U6 D6 y/ k5 L! x4 d* ~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。）
2 D* r$ P" ?( Q; h; T$ m五 問(wèn)題總結(jié)：至此問(wèn)題原因基本明朗：
# h- V) a* m; X" d2 z# ^$ j1. 直流電源模塊的防護(hù)設(shè)計(jì)和單板-48V防護(hù)設(shè)計(jì)配合不合理，造成直流電源和單板共同承擔(dān)外界沖擊能量。
2．單板上TVS最大可以單獨(dú)承受1.5KV的浪涌。在設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)產(chǎn)（1KV浪涌）和應(yīng)用于環(huán)境良好的機(jī)房時(shí)，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(huì)被擊穿短路。
3. 如果設(shè)備放在防雷條件差的遠(yuǎn)端機(jī)房，則可能感應(yīng)能量大的雷擊浪涌，這種浪涌能量分擔(dān)到直流電源和單板上，當(dāng)分擔(dān)到單板上的能量超過(guò)TVS承受能量時(shí)，則造成TVS短路。
注：在測(cè)試中出現(xiàn)過(guò)一次線地2KV時(shí)，造成一塊單板TVS擊穿短路，以后再也沒(méi)有復(fù)現(xiàn)，以后基本都是6KV時(shí)造成單板TVS擊穿短路。原因可能存在兩點(diǎn)：

直流電源模塊防護(hù)器件沒(méi)來(lái)得及動(dòng)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(dòng)作了，但主控上的TVS因?yàn)閭�(gè)別質(zhì)量問(wèn)題，防護(hù)能量差，造成短路。
3 a. |  h- S# C* \2 g; |7 g9 H! B因?yàn)檫@種現(xiàn)象以后也未復(fù)現(xiàn)，最終原因只能是上面兩個(gè)之一。

單板去掉TVS后，對(duì)待大能量浪涌，不會(huì)造成短路情況，設(shè)備工作正常。
2 m8 j4 X# ]! \% T7 O+ c針對(duì)測(cè)試結(jié)果和分析結(jié)論，對(duì)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(duì)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(hù)設(shè)計(jì)情況統(tǒng)一給出。單板新防護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。
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' L& @1 Y& r; i  e1 W圖5 ：?jiǎn)伟咫娫磪^(qū)域新防護(hù)示意圖