?【可靠性】雷击浪涌导致单板TVS短路研究

硬件电子工程师 · 发表于 2023-11-26 21:50:00

【摘要】
某设备采取集中供电系统，外界直流通过设备-48V直流电源模块送电给背板，各槽位单板从背板直接取-48V，在单板进行DC-DC转换成其他电压供各芯片使用。直流电源模块具备浪涌防护功能，但在应用中发现单板TVS被浪涌击穿短路，而电源模块完好无损的情况。针对这种现象进行了分析研究，找出了问题根源，并给出了相应的改进措施。

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一问题提出：某设备采取集中供电系统，外界直流通过设备-48V直流电源模块送电给背板，各槽位单板从背板直接取-48V，在单板进行DC-DC转换成其他电压供各芯片使用，如图1所示。设备在现场正常运行时，突然发现一块单板掉电，经检查发现这块单板上-48V电源区域保险丝（FU1）已经断路，线地之间的TVS（VD1）已经短路。单板-48V电源防护图如图2所示。据此推断，应该是TVS首先短路，造成-48V和PGND之间产生大电流，大电流造成保险丝熔断，从而单板掉电。正常使用中TVS为何会短路呢？

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图1 ：设备系统框图

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图2 ：单板电源区域防护示意图
二问题分析：一个正常的TVS会在3种情况下失效短路：
（1）正向过电流
（2）反向过电压
（3）瞬间能量冲击超过器件本身脉冲峰值功率
分析：
（1）正向过电流
设备正常工作中，因为GNDP电压永远比-48V电压高，TVS无法形成正向电流。所以该情况不会产生，排除；
（2）反向过电压
据现场供电系统监控日志反映，机房直流配电柜输出一直很稳定，电压波动很小。另外从设备内部储存的信息看，输入电压一直没有出现异常。另外在研发实验室对此型号TVS进行反向高压测试，一直到－80V，TVS都工作正常。据此推动，反向过电压也不可能。
（3）瞬间能量冲击超过器件本身脉冲峰值功率
理论上来自外界的瞬间能量冲击，比如雷击浪涌等，也不会直接作用到单板上，因为之前有直流电源模块防护。产品在转产认证时，都进行了相应的浪涌测试，设备表现都很正常。经现场分析，这次出问题的设备机房是处在远端机房，座落在一个半山腰，并且处于雷击多发地区。是不是耦合到的雷击能量过大引起TVS被击穿短路？理论上即使冲击能量大，首先损坏的应该是直流电压模块，单板应受到保护。可是实际情况确实电压完好无损，单板TVS短路。带着该疑问，在研发实验室进行浪涌测试，看能否复现现场情况。

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三问题复现：在公司试验室对该设备进行浪涌测试，测试应力逐步加强，观察测试结果。
测试配置：该设备机框，业务板三块，风扇插箱两个，配一现场返回直流电源模块和一正常直流电源模块。
浪涌波形：1.2/50us(8/20us)，内阻12Ω。
测试现象：

设备配从现场返回的直流电源，对电源口进行线地±2KV浪涌，结果电源正常，一块单板出现-48V和PGND之间TVS短路，保险丝熔断现象。

重新更换这块单板TVS和保险丝，对线地打±4KV正常，打±6KV时，三块板TVS全部短路，保险丝熔断。

设备配一正常直流电源，更换三块板TVS和保险丝，在对电源口打±6KV时，所有单板TVS短路，保险丝熔断。

去掉三块单板上所有TVS（VD1和VD2共6个），换上好的保险丝，对直流电源口打±6KV，共打了40次，单板正常。

拆开现场返回的直流电源和正常直流电源，查看内部器件情况，发现两个电源完全一样，没有任何损伤现象。测量器件参数也都正常。
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四问题解决：通过上面的试验发现，浪涌确实能造成单板TVS短路，而电源模块没有受损的现象，这和客户现场看到的现象一样。从实践上论证了理论推断的正确性。
但是从系统防护上来分析，理论上直流电源在整个设备防护最前端，对于外界能量冲击，应首先动作，保护后面的单板。但实际中直流电源正常，单板却被打坏了。对比直流电源的防护设计和单板上的防护设计，发现直流电源模块上线地之间的防护只有压敏电阻（图3红圈），线线之间才有TVS（图3蓝圈），而单板上线地既有TVS（图2红圈），又有压敏电阻（图2蓝圈）。众周所知，TVS响应时间比压敏电阻相应时间块，TVS可以达到pS级，而压敏响应时间只有nS级别。会不会一个浪涌过来时，单板上TVS先动作，或者和压敏同时动作。
于是在分别直流电源线地间压敏电阻两端和单板线地间TVS两端采集浪涌波形。防止示波器被高压打坏，只对直流电源口进行了2KV浪涌测试。测试波形如图4。从图4可以看出，直流电源上的压敏电阻和单板上的TVS几乎同时动作，共同分担浪涌的能量。

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图3 ：直流电源模块防护示意图

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图4 ：浪涌波形图（黄色为电源上压敏两端波形，紫红色为单板上TVS两端波形。）
五问题总结：至此问题原因基本明朗：
1. 直流电源模块的防护设计和单板-48V防护设计配合不合理，造成直流电源和单板共同承担外界冲击能量。
2．单板上TVS最大可以单独承受1.5KV的浪涌。在设备进行转产（1KV浪涌）和应用于环境良好的机房时，由于外界冲击能量较小，即使TVS承受主要的冲击，也在本身脉冲峰值功率以下，不会被击穿短路。
3. 如果设备放在防雷条件差的远端机房，则可能感应能量大的雷击浪涌，这种浪涌能量分担到直流电源和单板上，当分担到单板上的能量超过TVS承受能量时，则造成TVS短路。
注：在测试中出现过一次线地2KV时，造成一块单板TVS击穿短路，以后再也没有复现，以后基本都是6KV时造成单板TVS击穿短路。原因可能存在两点：

直流电源模块防护器件没来得及动作，能量全部到单板TVS上。（单板上TVS最大可以承受1.5KV的浪涌。）直流电源和单板都动作了，但主控上的TVS因为个别质量问题，防护能量差，造成短路。
因为这种现象以后也未复现，最终原因只能是上面两个之一。

单板去掉TVS后，对待大能量浪涌，不会造成短路情况，设备工作正常。
针对测试结果和分析结论，对待目前已经转产发货和正在研发的单板分别给出以下措施：

既有的转产发货的批量产品，在不改变PCB情况下，去掉单板上TVS。

对于正在改版和研发中的单板电源部分方案已经结合具体直流电源模块防护设计情况统一给出。单板新防护设计见图5。
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图5 ：单板电源区域新防护示意图