1. 引言

    獨學而無友，則孤陋而寡聞。 本文以SURGE測試中通訊端口防護器件損壞為例，進行損壞機理分析、不同測試方法帶來的影響分析、不同應用場景的測試方法選擇，以及SURGE防護設計中的注意點等內容進行分析說明。

    2. 背景介紹

    某機車控制器的通訊端口進行±1KV等級的SURGE測試，出現(xiàn)通訊端口防護器件TVS管損壞情況。

    3. 系統(tǒng)組網

    組網：某機車控制器（EUT），通過CAN通訊線與AE設備連接，互連線長度10m； 測試端口：CAN端口，±1KV，阻抗42Ω； 端口防護說明：EUT側CAN端口TVS管防護

    ①；AE側CAN端口TVS管防護

    ②；EUT側15V電源對地跨接電容C和TVS管

    ③；AE側對地無跨接防護

    ④； 端口注入方法：斷開與AE相連的CAN-H和CAN-L，但A-GND保持與AE設備相連。 接地說明：CAN參考地為A-GND，AE設備的通訊參考與電源的參考地為A-GND，AE由EUT的DC15V供電，DC15V的參考地為P-GND。測試組網如圖1所示。

    圖1 組網圖 實驗現(xiàn)象：在多次SURGE測試中發(fā)現(xiàn)， EUT端口TVS管被打壞，但并不是每次試驗都能復現(xiàn)，試驗次數(shù)越多，越容易復現(xiàn)。

    4. TVS管損壞的機理分析

    4.1 SURGE干擾的路徑分析

    CAN電路的參考地為A-GND，AE設備的電源參考地為A-GND ，EUT的15V電源地為P-GND，因EUT的DC15V給AE進行供電，使得A-GND與P-GND進行了互連，且P-GND對PE有跨接TVS管和電容，使得SURGE噪聲沿著低阻抗路徑流到大地。 SURGE噪聲干擾路徑：SURGE發(fā)生器→CDN的Zin→通訊TVS1管→通訊線地線Zline→電源地線Zline→對PE跨接電容C1和TVS3管→PE，如下圖2所示。

    圖2 SURGE噪聲回路示意圖 4.2 SURGE噪聲頻譜分析 4.2.1 SURGE的波形 根據(jù)IEC 61000-4-5 2019標準中SURGE的典型開路電壓波形參數(shù)為1.2/50us。

    參見圖3所示：

    圖3 SURGE發(fā)生器開路電壓波形

    4.2.2 SURGE的頻譜特性分析

    IEC 61000-4-5中描述SURGE的BW帶寬是指頻域波形的下降沿斜率開始達到-60dB/十倍頻程時的頻率帶寬。SURGE電壓波形波前時間短，包含的頻帶較寬，SURGE的BW達到了2MHz，但主要能量集中在頻率較低的頻段，幅值頻譜分析表明SURGE呈現(xiàn)低頻特征（50KHz→-40dB），參見圖4所示。

    圖4 Voltage surge (1,2/50 ?s): spectral response with ?f = 3,333 kHz 4.3 TVS 管損壞分析

    4.3.1 TVS管損壞模式

    TVS管損壞模式有兩種：

    （1）單次能量超過額定功率 TVS的標稱功率是極短時間內對 TVS 施加的單次脈沖能量，施加的噪聲波形能量大于額定功率時，會導致TVS管過流燒毀，呈現(xiàn)短路失效模式。

    （2）積累的能量超過上限值 實際測試中施加的噪聲波形通常是重復地出現(xiàn)，使得短時間積累的能量超過上限值，TVS管就會損壞，呈現(xiàn)短路失效模式。

    4.3.2 TVS管中的SURGE電流分析

    （1）TVS管參數(shù)對比 TVS1和TVS2管型號均為PESD1CAN，其Ipp為3A，20uf脈沖功率為200W，50us脈寬功率約為130W；TVS3管的型號為SD05C，其Ipp為24A，20uf脈沖功率為350W，50us的脈沖脈寬功率約為210W。TVS3的功率和通流能力優(yōu)于TVS1。TVS參數(shù)表參見表1。

    表1 TVS規(guī)格參數(shù)表

    （2）噪聲回路參數(shù) 根據(jù)圖3的路徑分析及表1參數(shù)表，可計算出回路阻抗參數(shù)參見下表2。

    表2 回路阻抗參數(shù)

    符號參數(shù)線路阻抗 （在TVS1管  3A下進行計算）含義

    Zin42Ω2Ω差模+40Ω共模信號線注入阻抗

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

    Zc132ΩZc1=1/(2π*50KHz*0.1uf=31.8Ω對地跨接電容C1，噪聲頻率50KHz

    ZTVS123.3ΩZTVS1=70V/3A=23.3Ω，型號PESD1CAN(NXP)CAN電路保護TVS管

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

    （3） 回路SURGE電流計算： 在TVS1管  3A阻抗條件下計算分析： Isurge=Vsurge/(Zin +ZTVS1// ZTVS1+2*Zline+Zc1//ZTVS3)=16A 在TVS1管短路失效條件下計算： Isurge= Vsurge/(Zin +2*Zline+Zc1//ZTVS3)=19.7A SURGE噪聲在回路中的電流范圍在16A~19.7A之間，流過CAN-H和CAN-L的TVS管電流各為8A-9.85A左右，超過了TVS1的  Ipp（3A），但小于TVS3的Ipp(24A)。從計算分析可知，TVS1承受超額SURGE電流，有較大的損壞風險。

    4.4 實驗驗證

    4.4.1 TVS管阻抗測定

    用萬用表對TVS1和 TVS 3管進行實驗前后的阻抗測定，參見表3。 在多次實驗后，TVS1管的阻抗越來越小，  終失效短路。

    表3 TVS管阻抗測定

    TVS1TVS3

    試驗次數(shù)阻抗值試驗次數(shù)阻抗值

    實驗前開路實驗前開路

      SURGE實驗65Ω  SURGE實驗開路

    二次SURGE實驗16Ω二次SURGE實驗開路

    三次SURGE實驗0.1Ω三次SURGE實驗開路

    4.4.2 SURGE實驗波形抓取

    SURGE實測噪聲回路電流峰值19.2A，脈寬55.3us，CAN-H和CAN-L的TVS1管個分流9.6A，與理論計算相匹配，驗證分析的準確性。實測波形參見圖5。

    圖5 回路噪聲電流

    4.5 TVS管損壞的機理分析小結

    （1）15V參考地P-GND與CAN的參考地A-GND連接到一起，使得SURGE噪聲可以通過P-GND的對地跨接流到大地；

    （2）SURGE的噪聲帶寬可達到2MHz，但一般能量集中在低頻段50KHz左右；

    （3）TVS管損損壞模式有兩種，超額定或多次能量疊加導致的短路損壞，本文為典型超額定而導致的RVS管損壞。

    （4）噪聲回路的SURGE電流理論計算與實測相對應，結合理論計算可幫助產品在前期理論模型階段的防護器件設計選型。

    5. 從產品端解決方案分析

    綜合以上分析，從產品端解決CAN通訊口TVS管損壞問題，就是要改變噪聲回路阻抗分布。方法有三種，參見表4。

    表4 整改設計方法分析表

    整改設計方法可落地措施備注

    ◆提高TVS管的耐流能力將TVS1管替換成TVS3結電容變大17pf→350pf，會影響通訊信號質量

    ◆提高P-GND與PE的阻抗◆去掉對地跨接TVS管 ◆將TVS管變?yōu)?MΩ電阻地電位差防護變差

    ◆噪聲回路的線路去耦線路地線去耦改變通訊地阻抗，有共地阻抗風險

    6. 從測試端解決方案分析 SURGE測試不同實驗方法如下表5所示。 表5不同的測試方法

    業(yè)界對CAN、485、232等通訊電路是否為平衡線對有不同的看法，導致使用不同的CDN，產生不同的測試結果。

    （1） 對稱線的定義： 差模到共模轉換損耗大于20DB的平衡對線，一般由芯片廠家確定。

    （2） CND非對稱注入： A-GND進行了去耦，老板標準中為20mH，50KHz阻抗為6.28KΩ，回路SURGE電流為約0.3A，TVS管正常工作。

    （3） CND對稱注入 標準中沒有對A-GND是否連接進行說明，然而一般A-GND實驗時時默認連接的，只對對稱線線進行注入實驗。 ◆A-GND不接：SURGE回路噪聲電流為0.15A左右。 ◆A-GND接：與初始測試結果一直，無改善。

    （4） 組網CAN端口直接注入 通過組網連接，使得AE設備對SURGE噪聲電流分流，但每個TVS管子電流約為4.8A，超過  Ipp，存在損壞風險。 綜上對測試方法的說明，解決方案有二： ◆不接A-GND，進行CDN注入； ◆按照非對稱進行注入；

    7. 不同測試方法的應用分析

    各企業(yè)在SURGE的非屏蔽通訊端口測試中，以IEC61000-4-5為基礎，進行了各自的適應性測試方法改善。主要有三種方式，參見表6所示。

    表6 SURGE 非屏蔽通訊端口測試方法

    EMC測試要結合產品的實際應用場景，來定制適合的測試方法，才能真正的在設計端規(guī)避產品的使用風險，三種測試方法的應用場景如下：

    ① 利用CDN的共模阻抗，進行非組網的通訊端口注入測試 主要應用在低要求場合，只要防護器件不損壞就可以，如二次供水。

    ② 利用CDN的共模阻抗，進行組網的通訊端口注入測試 主要應用在高要求，考量系統(tǒng)對SURGE的抗擾性，而非單體產品本身，要求通訊不能出錯，如生產線。

    ③ 按照標準推薦，將CDN串入通訊線中進行測試 將EUT與AE進行隔離，主要為  測試的應用。

    8. 思考與啟示

    （1） TVS管損壞原因為噪聲回路阻抗過低，使得SURGE電流過大，TVS管超限值而損壞，可以選用功率大而結電容相對較小的TVS管；

    （2） 增大對PE的阻抗，可以去掉跨接TVS管，或減小跨接電容，或串跨接電阻等方法，提升阻抗值，使得SURGE電壓大部分加在跨接阻抗上；

    （3） 產品設計要進行噪聲路徑分析和SURGE電流估算，指導阻抗分配與器件的選型。 需要結合產品的實際應用場景，來選擇測試方法，不要完全照搬標準要求，而缺乏系統(tǒng)化分析。