浪涌测试中通讯端口防护器件的损坏分析

    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：EUT侧CAN端口TVS管防护

    ①；AE侧CAN端口TVS管防护

    ②；EUT侧15V电源对地跨接电容C和TVS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-H和CAN-L，但A-GND保持与AE设备相连。 接地说明：CAN参考地为A-GND，AE设备的通讯参考与电源的参考地为A-GND，AE由EUT的DC15V供电，DC15V的参考地为P-GND。测试组网如图1所示。

    图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-GND，AE设备的电源参考地为A-GND ，EUT的15V电源地为P-GND，因EUT的DC15V给AE进行供电，使得A-GND与P-GND进行了互连，且P-GND对PE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→CDN的Zin→通讯TVS1管→通讯线地线Zline→电源地线Zline→对PE跨接电容C1和TVS3管→PE，如下图2所示。

    图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：

    图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SURGE的BW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，SURGE的BW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。

    图4 Voltage surge (1,2/50 ?s): 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

    （1）TVS管参数对比 TVS1和TVS2管型号均为PESD1CAN，其Ipp为3A，20uf脉冲功率为200W，50us脉宽功率约为130W；TVS3管的型号为SD05C，其Ipp为24A，20uf脉冲功率为350W，50us的脉冲脉宽功率约为210W。TVS3的功率和通流能力优于TVS1。TVS参数表参见表1。

    表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。

    表2 回路阻抗参数

    符号参数线路阻抗 （在TVS1管  3A下进行计算）含义

    Zin42Ω2Ω差模+40Ω共模信号线注入阻抗

    Zline3.1ΩZline=10m*1uH/m*2π*50KHz=3.1Ω线路阻抗1uH/m

    Zc132ΩZc1=1/(2π*50KHz*0.1uf=31.8Ω对地跨接电容C1，噪声频率50KHz

    ZTVS123.3ΩZTVS1=70V/3A=23.3Ω，型号PESD1CAN(NXP)CAN电路保护TVS管

    ZTVS32.7ΩZTVS3=8V/3A=2.7Ω，型号SD05C对地跨接TVS

    （3） 回路SURGE电流计算： 在TVS1管  3A阻抗条件下计算分析： Isurge=Vsurge/(Zin +ZTVS1// ZTVS1+2*Zline+Zc1//ZTVS3)=16A 在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-H和CAN-L的TVS管电流各为8A-9.85A左右，超过了TVS1的  Ipp（3A），但小于TVS3的Ipp(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和 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，  终失效短路。

    表3 TVS管阻抗测定

    TVS1TVS3

    试验次数阻抗值试验次数阻抗值

    实验前开路实验前开路

      SURGE实验65Ω  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55.3us，CAN-H和CAN-L的TVS1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。

    图5 回路噪声电流

    4.5 TVS管损坏的机理分析小结

    （1）15V参考地P-GND与CAN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；

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

    （3）TVS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。

    表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管的耐流能力将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-GND与PE的阻抗◆去掉对地跨接TVS管 ◆将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，有共地阻抗风险

    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。 表5不同的测试方法

    业界对CAN、485、232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非对称注入： A-GND进行了去耦，老板标准中为20mH，50KHz阻抗为6.28KΩ，回路SURGE电流为约0.3A，TVS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  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。

    表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 将EUT与AE进行隔离，主要为  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。