【案例分享】電路分析不可忽略----防護電路設計方案的盲點

2017-08-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

1.概述

一個方案的設計,不單單要滿足測試要求,也要滿足實際應用需求,方案盲點往往是最容易被忽略的問題之一。所謂盲點,就是高于最大持續(xù)運行電壓UC,但可引起一個多級防護電路不完全動作的工作點,這可造成防護電路中的一些元件遭受過載,導致防護失效。以下以一個實際的案例來進一步的說明。

2.問題描述

在防護電路設計領域,實戰(zhàn)是最好的引證,下面講述的是一個方案盲點的實際案例分析。

某客戶的電源板,供電為AC24V,需要滿足1.2/50-8/20μs,6KV-3KA的測試需求,初步驗證方案時,是按照1KV、2KV、4KV、6KV驗證的均能滿足測試要求,但銷售一段時間后,返修率較高,主要損壞是后級的TVS,方案圖如圖1所示:

【案例分享】電路分析不可忽略----防護電路設計方案的盲點ansysem分析圖片1

圖1 電源板原始設計防護方案

【案例分享】電路分析不可忽略----防護電路設計方案的盲點ansysem分析圖片2

圖2 電源板防護設計PCB圖

為了找到TVS是否存在設計的缺陷,我們單獨對方案做了如下低電壓的測試,數(shù)據(jù)如下表1所示:

表1 驗證原有方案

方案編號	測試端口	防護器件	測試項目	測試結果	備注
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

從以上數(shù)據(jù)看,在500V~550V時,方案出現(xiàn)TVS損壞,當浪涌電壓提升到580V~6KV時,防護方案能正常的起到防護作用,而且器件沒有損壞,由此可見,該方案確實存在盲點,盲點就是在580V以下。

3.原因分析

當浪涌電壓較高時,由于上升速率較快,di/dt較大,在電感兩端的壓降也比較大,所以放電管很快就導通,流到后級的能量較小,后級TVS承受的電流也比較小,所以后級沒有損壞;當浪涌電壓較低時,電流的上升速率di/dt較慢,電感兩端的壓降較小,GDT可能動作,或者沒有動作,基本上電流都往后級流動,而600W TVS通流能力有限,導致TVS短路。

4.處理措施

由以上分析,該方案存在的問題就是TVS的通流能力較小,客戶板子體積有限,不能增大體積,而且PCB為成品,重新layout成本較高。只能選擇一顆比較合適的器件(同封裝)、通流量較大的TVS。那么新器件的表現(xiàn)如何呢?我們單獨對器件做如表2通流測試:

表2 單體TVS通流測試數(shù)據(jù)

產品編號	防護器件	測試項目	測試結果	備注
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

從以上數(shù)據(jù)可得,即使前級未動作,后級也可以扛住1KV-500A的通流能力,由于TVS電壓變高了,TVS的后級能否承受這個殘壓呢?上板測試數(shù)據(jù)如表3所示:

表3 整改后方案上板測試數(shù)據(jù)

設備編號	測試端口	防護器件	測試項目	測試結果	備注
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

由以上數(shù)據(jù),方案從300V~6KV均能通過測試,致此,方案盲點消除!

5.經驗總結

方案設計不能一味追求通過測試標準,需要綜合考慮方案防護的各種情況,不單單要按照標準的測試,往往還需要考慮下后級與前級的配合問題,盲點只是其中一個方向!

解決方案盲點,首先要有能發(fā)現(xiàn)盲點的方法,唯一發(fā)現(xiàn)盲點的方法是通過實際測試,將測量電壓降低到前級不動作的情況,看后級能否承受,如果可以承受,則方案不存在盲點;如果不能承受,則方案就有盲點,雖然能通過標準的要求,但在實際使用過程中也會出現(xiàn)問題,導致產品質量事件,造成不必要的直接經濟損失與間接經濟損失。

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