EMC浪涌防護設(shè)計方案

浪涌是每個電子工程師設(shè)計產(chǎn)品時都需要考慮的一個問題，因為這關(guān)乎到電子設(shè)備在惡劣的電磁環(huán)境下是否能夠正常工作。

一、什么是浪涌?

圖1 EMC家族

浪涌(Surge)也叫尖峰(Spike)，屬于電磁抗干擾性能(EMS)的一種情況。在日常生活中，浪涌通常由外界環(huán)境如雷擊和內(nèi)部器件的啟停、故障等原因產(chǎn)生，會形成若干個超出設(shè)備正常工作范圍的瞬間(通常為us級別)高壓或大電流，從而影響設(shè)備的使用壽命甚至導(dǎo)致設(shè)備故障。

為了模擬電子設(shè)備的實際抗浪涌能力，行業(yè)內(nèi)形成了一個通用的浪涌防護標準：

IEC61000-4-5(GB/T17626.5)

通過浪涌發(fā)生器模擬浪涌波形，來測試設(shè)備的抗浪涌能力。IEC61000-4-5：2014版標準波形，要求浪涌發(fā)生器在未連接被測設(shè)備、無耦合/去耦合網(wǎng)絡(luò)時的輸出電壓、電流波形滿足圖2、3要求。

圖2 開路電壓波形

波頭時間：Tf=1.67*T=1.2us±30%

持續(xù)時間：Td=Tw=50us±20%

圖3 短路電流波形

波前時間：Tf=1,25*Tr=8us±20%

持續(xù)時間：Td=1,18*Tw=20us±20%

二、什么是浪涌發(fā)生器

圖4為智能型雷擊浪涌發(fā)生器TVS 8/20的控制表盤示意圖，該儀器是嚴格按照國際電工委員會IEC頒布的IEC61000-4-5標準設(shè)計的，具有智能化、性能穩(wěn)定、操作方便等特點。通過設(shè)置輸出電壓、耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)模式、浪涌次數(shù)、浪涌時間間隔等參數(shù)后，即可使用。

圖4 TVS 8/20雷擊浪涌發(fā)生器 ?

三、如何搭建浪涌測試環(huán)境

圖5 浪涌測試環(huán)境示意圖

圖6 浪涌測試環(huán)境實物圖

需要準備的儀器及硬件連接示意圖如圖5、6所示。 1. 將浪涌發(fā)生器的正、負極分別接待測設(shè)置的電源VDD和GND 2. 用示波器電流傳感探頭測試流經(jīng)VDD的電流，電壓探頭測試VDD處的電壓

注意：示波器的電壓探頭應(yīng)盡量靠近待測芯片的VDD引腳，且地線夾應(yīng)就近接地，建議用接地環(huán)測試更佳。

通常每個電壓等級測試3次，逐步增大浪涌發(fā)生器的輸出電壓，直到芯片損壞為止。

四、常用的浪涌防護器件及選型

1. 浪涌防護器件簡介

如果遇到浪涌指標不達要求的情況，我們可以采取下圖所示的浪涌防護，總結(jié)為：泄放為主，阻擋為輔;多級防護，逐級削弱。

圖7 浪涌防護結(jié)構(gòu)示意圖

常見的浪涌防護器件有：壓敏電阻(MOV)、陶瓷氣體放電管(GDT)、玻璃放電管(SPG)、瞬態(tài)抑制二極管(TVS)、靜電保護管(ESD)、以及阻、容元器件等。為了更加直觀的了解各個器件的特性，圖8是主流浪涌防護器件的泄流能力及相應(yīng)速度對比框圖。

圖8 浪涌防護器件的泄流能力及響應(yīng)速度框圖 ?

浪涌器件這么多，具體該如何選呢?對于便攜式的電子設(shè)備，考慮到產(chǎn)品的實際應(yīng)用場景、擺放空間和成本，運用最多的就是TVS瞬態(tài)抑制二極管。 顧名思義，瞬態(tài)是指電壓或電流中的短時間尖峰，抑制是指消除異常瞬間電壓、電流信號對器件或電路的影響，二極管是指一樣具有PN結(jié)效應(yīng)，當(dāng)電壓超過雪崩擊穿電壓時，就會吸收過壓的多余能量，并且在過壓狀態(tài)結(jié)束后可以自動恢復(fù)。

圖9 單向、雙向TVS管的作用方式及V-I曲線

圖9可以初步了解到TVS管的作用方式以及主要指標參數(shù)，如何根據(jù)這些指標選取合適的TVS型號?

1. 確認被保護電路的正常工作電壓VDD>TVS管的Vrwm

2. 確定被保護電路的最高工作電壓Vdd>TVS管的擊穿電壓Vbr

3. 確定被保護電路的損壞電壓<鉗位電壓Vc

4. 確定被保護電路的信號工作頻率，選擇合適的結(jié)電容Cj

5. 根據(jù)電源/信號抗浪涌需求選擇合適的峰值電流Ipp

6. 確定電路對靜態(tài)工作電流的需求漏電流IR 7. 選擇合適的封裝

- 其它注意事項 -

盡量不要選存在Snapback現(xiàn)象的TVS管。Snapback的現(xiàn)象就是TVS管在被反向擊穿(VBR)后，當(dāng)電壓降到反向擊穿電壓VBR之下時，仍會存在較大的漏電流，即電壓降低電流反而增大，所以這個現(xiàn)象也稱為負阻現(xiàn)象。

圖10 TVS管的snapback現(xiàn)象

2. TVS管的layout如何布局

選好TVS管后如何布局layout使其效果最佳也是大有學(xué)問的，下面簡單介紹下常用的layout手法。

No.1 TVS放置在浪涌流經(jīng)的路徑上

圖11 TVS擺放示意圖

圖12 正確示例

圖13 錯誤示例

No.2 TVS走線最短且最大面積接地

圖14 正確示例

圖15 錯誤示例

3. 電容在浪涌防護中起的作用

電容基于其特性以及實際布局空間和成本考慮，電子產(chǎn)品上面一般會大量使用陶瓷電容，幾乎每顆芯片的VDD引腳處都要求要加電容，所以大家對電容的儲能濾波作用肯定深有了解。 由于電容的物理特性：電容兩端的電壓不能突變。因此也決定了電容的浪涌泄放能力必然不如TVS的。但如果和“好兄弟”TVS管組合使用，是可以起到錦上添花的作用。

根據(jù)

以及下方的等效電路(其中R=電源內(nèi)阻 Re+線損Ra+電容ESR，C為電容)，

有：

將①帶入②式：

令電容初始條件t=0時，Uc=0，得到③得解為

根據(jù)方程式的解可以了解到電容的兩個作用： 1. 提供一條電流泄放路徑 2. Uc不能突變，但能平滑脈沖上升速率 實測增加電容容值后浪涌殘壓變化如下圖：

圖16 TVS+10uF的浪涌殘壓變化

圖17 TVS+10uF+22uF的浪涌殘壓變化

考慮到整機Vbat上掛的濾波電容總?cè)葜狄话阍?00uF以上，因此對整機抗浪涌能力的提升也是有一定幫助的。

4. 艾為OVP過壓保護芯片

圖18 端口保護典型應(yīng)用框圖

除了通過“疏導(dǎo)”浪涌電壓來保護設(shè)備，我們還可以采用OVP過壓保護芯片來”堵”住浪涌電壓，即輸入端電壓值超過一定值后，芯片的輸出端會被關(guān)斷，對后級電路起到保護作用。

什么是OVP呢?OVP是一類過壓保護器件，它通常被放置在系統(tǒng)輸入接口處，通過實時檢測該路徑上的電壓，并在輸入電壓超過設(shè)定閾值的情況下快速響應(yīng)，切斷電源通路，從而起到保護后級IC的目的。

保護后級IC免受輸入過壓影響的辦法有很多，比如我們可以用MOS管來搭建開關(guān)回路，但是OVP IC解決方案與之相比，因其具備高性價比、高集成度、高響應(yīng)速度等明顯優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在各種場合。

艾為推出的AW329XX系列OVP芯片內(nèi)置浪涌泄放能量，從而做到以“疏”與“堵”結(jié)合的方式為系統(tǒng)提供全方位的安全防護,該系列IC因其可提供寬泛的輸入電壓范圍、內(nèi)置浪涌泄放路徑、納秒級的OV響應(yīng)時間和極低的導(dǎo)通阻抗為廣大客戶所采納。

更多艾為OVP芯片介紹請回顧《【技術(shù)帖】OVP的原理和應(yīng)用概述》

圖19 AW329XX系列OVP芯片保護效果

總 結(jié)

圖20 浪涌防護設(shè)計通用防護方案

圖20是浪涌防護設(shè)計的通用防護方案，浪涌從輸電線引入設(shè)備，容易導(dǎo)致充電口損壞。通用的防護方案是：

1. 先由一級TVS進行浪涌疏導(dǎo)

2.經(jīng)過若干退耦電容后抵達OVP器件進行浪涌阻擋

從而對后級電路起到保護作用。

以上是艾為電子對EMC浪涌防護設(shè)計的歸納總結(jié)，可能實際遇到的浪涌問題更為錯綜復(fù)雜，只要前期做好浪涌防護設(shè)計的評估，后期根據(jù)浪涌的指標選擇合適的防護器件，就一定能跨過這個難關(guān)。