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，出現通訊端口防護器件TVS管損壞情況。

3.系統組網

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

實驗現象：在多次SURGE測試中發現， EUT端口TVS管被打壞，但并不是每次試驗都能復現，試驗次數越多，越容易復現。

4.TVS管損壞的機理分析

4.1SURGE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2SURGE噪聲回路示意圖

4.2SURGE噪聲頻譜分析

4.2.1SURGE的波形

根據IEC61000-4-5 2019標準中SURGE的典型開路電壓波形參數為1.2/50us。參見圖3所示：

圖3 SURGE發生器開路電壓波形

4.2.2SURGE的頻譜特性分析

IEC61000-4-5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呈現低頻特征（50KHz→-40dB），參見圖4所示。

圖4 Voltage surge (1,2/50 μs): spectral response with ?f = 3,333 kHz

4.3TVS 管損壞分析

4.3.1TVS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，使得短時間積累的能量超過上限值，TVS管就會損壞，呈現短路失效模式。

4.3.2TVS管中的SURGE電流分析

（1）TVS管參數對比

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于TVS1。TVS參數表參見表1。

表1 TVS規格參數表

（2）噪聲回路參數

根據圖3的路徑分析及表1參數表，可計算出回路阻抗參數參見下表2。

表2 回路阻抗參數

符號	參數	線路阻抗 （在TVS1管最大3A下進行計算）	含義
Zin	42Ω	2Ω差模+40Ω共模	信號線注入阻抗
Zline	3.1Ω	Zline=10m*1uH/m*2π*50KHz=3.1Ω	線路阻抗1uH/m
Zc1	32Ω	Zc1=1/(2π*50KHz*0.1uf=31.8Ω	對地跨接電容C1，噪聲頻率50KHz
ZTVS1	23.3Ω	ZTVS1=70V/3A=23.3Ω，型號PESD1CAN(NXP)	CAN電路保護TVS管
ZTVS3	2.7Ω	ZTVS3=8V/3A=2.7Ω，型號SD05C	對地跨接TVS

（3） 回路SURGE電流計算：

在TVS1管最大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的最大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

4.4.1TVS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，最終失效短路。

表3 TVS管阻抗測定

TVS1	TVS3
試驗次數	阻抗值	試驗次數	阻抗值
實驗前	開路	實驗前	開路
一次SURGE實驗	65Ω	一次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

4.4.2SURGE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

4.5TVS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管變為1MΩ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，超過最大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，主要為認證測試的應用。

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，而缺乏系統化分析。

責任編輯：xj

原文標題：浪涌測試中通訊端口TVS管損壞機理分析

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