搜索【案例分享】电路分析不可忽略----防护电路设计方案的盲点
2017-08-01 by:CAE仿真在线 来源:互联网
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 |
|
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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 2Ω 60"±5次 |
PASS |
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2# |
BV-SMBJ58C2 |
1.2/50-8/20μs DM 500V 2Ω 60"±5次 |
PASS |
|
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2# |
BV-SMBJ58C2 |
1.2/50-8/20μs DM 1000V 2Ω 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
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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 2Ω 60 "±5次 |
PASS |
|
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1# |
AC24V |
GDT+BV-SMBJ58C2 |
1.2/50-8/20μs±500V 2Ω 60 "±5次 |
PASS |
|
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1# |
AC24V |
GDT+BV-SMBJ58C2 |
1.2/50-8/20μs±1KV 2Ω 60 "±5次 |
PASS |
|
|
1# |
AC24V |
GDT+BV-SMBJ58C2 |
1.2/50-8/20μs±2KV 2Ω 60 "±5次 |
PASS |
|
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1# |
AC24V |
GDT+BV-SMBJ58C2 |
1.2/50-8/20μs±4KV 2Ω 60 "±5次 |
PASS |
|
|
1# |
AC24V |
GDT+BV-SMBJ58C2 |
1.2/50-8/20μs±6KV 2Ω 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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