电磁兼容培训-雷击浪涌案例分析

Lighting/SurgeAnalysisRarkiiLiu,2013.61、雷击浪涌防护原理2、雷击浪涌分析思路3、雷击浪涌传播形式系统工程、硬件工程、Layout、测试工程及相关感兴趣人员3小时刘勋武提高我司的雷击浪涌设计水平，拓宽工程师的雷击浪涌故障分析思路，提高我司的产品的雷击浪涌防护能力。培训目的培训对象培训讲师学习重点培训课时Agenda雷击浪涌介绍雷击的分类及危害分类直击雷感应雷危害云层之间的放电主要对飞行器有危害云层对大地的放电，则对建筑物、电子电气设备和人、畜危害甚大。雷击的危害雷击风险评估必要性：据统计，全世界约有4万多各雷暴中心，每天大约有8百万次雷击，这意味着每秒钟至少有100次雷击。因此，雷击风险评估非常有必要。定义：根据雷电及其灾害特征进行分析，对可能导致的人员伤亡、财产损失程度与危害程度等方面的综合风险计算，为建设工程项目选址和功能分区布局、防雷类别与防雷措施确定等提出建设性意见的一种评价方法。雷击电压的计算正方形回路的互感正方形回路的过电压计算并行电缆回路电感并行电缆回路过电压计算浪涌的产生浪涌指瞬间出现超出稳定值的峰值，它包括浪涌电压和浪涌电流。浪涌电压是指的超出正常工作电压的瞬间过电压。浪涌电流是指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流。浪涌的危害在电子设计中，浪涌主要指的是电源（只是主要指电源）刚开通的那一瞬息产生的强力脉冲，由于电路本身的非线性有可能高于电源本身的脉冲；或者由于电源或电路中其它部分受到本身或外来尖脉冲干扰叫做浪涌.它很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏，如PN结电容击穿，电阻烧断等等.而浪涌保护就是利用非线性元器件对高频（浪涌）的敏感设计的保护电路，简单而常用的是并联大小电容和串联电感.雷击浪涌标准IEC雷击标准A、IEC61024系列（直击雷防护系列）IEC61024--1：1990建筑物防雷第一部分：通则IEC61024—1—1：1993建筑物防雷第一部分：通则第一分部分：指南A—防雷装置保护级别的选择IEC61024—1—2：1998建筑物防雷第一部分：通则第二分部分：指南B—防雷装置的设计、施工、维护和检测IEC61024—2：（草案）建筑物高于60M的附加要求IEC61024—3：（草案）火灾爆炸环境物的附加要求B、IEC61312系列（雷击电磁脉冲防护系列）1995IEC61312—1：雷击电磁脉冲的防护第一部分：通则IEC61312—2：雷击电磁脉冲的防护第二部分：建筑物的屏蔽，等电位连接及接地IEC61312—3：雷击电磁脉冲的防护第三部分浪涌对电涌保护器（SPD）的要求IEC61312—4：雷击电磁脉冲的防护第四部分现在建筑物内信息系统的保护IEC61312—5：雷击电磁脉冲的防护第五部分应用指南C、TC81还出版了对TC81标准的补充完善标准IEC61662：雷击损害危险度评估准IEC雷击标准（续）IEC61663：关于通信线路的防雷IEC61819：模拟防雷装置各部件效应的测量参数TC64标准系列：IEC60664—1：1992低压系统内设备的绝缘配合第一部分原则、要求及测试IEC60364—4：1992建筑物的电气设施第四部分安全保护IEC60364—5—534：1997建筑物的电气设施第五部分电子设备的选择与安装、第534节过电压保护器件IEC60536—2：1992防止电击保护系列TC73标准系列；IEC61643—1：1998接至低压配电系统的浪涌保护器第一部分性能及测试要求IEC61643—2：1997低压系统的电涌保护器第二部分选择和使用TC73还出版了接入通讯和信号网络的过电压保护器以及元件的技术标准（IEC61643-3、IEC61644、IEC61647—1/2/3/4）TC77还出版了大量有关电磁兼容的文件，其中IEC61000—4是关于电磁兼容性和电磁干扰的防护，与防雷有关ITU雷击标准K.11过电压和过电流防护的原则K.12电信装置保护用气体放电管的特性K.15远共系统和线路中继器对雷电和临近电力线路引起的干扰的防护K.17为检验防外界干扰的装置在固定器件远共中继器上的试验K.20电信交换设备耐过电压和过电流的能力K.21用户终端设备耐过电压和过电流的能力K.22连接至ISDNT/S总线的设备的耐过电压能力K.25光缆的保护K.27电信大楼内的边接结构和接地K.28电信设备保护用半导体避雷器组件的特性K.29地下通信电缆、光缆的综合保护方案ITU雷击标准（续）K.30正温系数（PTC）热敏电阻K.31用户大楼内电信装置的连接结构和接地K.32电信设备的抗静电放电干扰性要求和试验方法—基本的（EMC）建议K.33交流电力和交流电气化铁道装置发生故障时对电信系统产生耦合时的人身安全极限值K.34电信设备的电磁环境条件分类—快速瞬变及射频现象K.35远端电子站的连接结构和接地K.36保护文件的选择K.39通信局站雷电损害危险的评估K.40电信中心LEMP的防护K.42制定电信设备的发射和抗扰性要求标准—总则K.43电信设备的抗扰性要求GB雷击标准《计算机场地安全要求》GB2887—89，1989年《电子计算机机防设计规范》GB50174-93：1993《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92：1993《建筑物防雷规范》GB50057—94YD-T728-1994电话机防雷技术要求及测试方法YD-T993-2006电信终端设备防雷技术要求及试验方法GB17626.05_1999浪涌冲击抗扰度实验GB17626.05_1999–IEC61000-4-5RCRS1RMRS2UcCLr开路电压（1.2/50us）：上升时间T1=1.67T=1.2us+30%半峰值时间T2=50us+20%短路电流（8/20us）上升时间T1=1.25T=8us+30%半峰值时间T2=20us+20%雷击浪涌防护原理LANCOMMODEMPOWER简述从EMC三要素出发源头，不可控制，雷击能量时大时小路径，尽量控制或者远离雷击电流路径敏感体，尽量提高敏感体的抗雷击能力从EMC防护技术出发接地屏蔽保护等电位连接LightingProtectionZone进出线缆端口的防雷等电位连接设备的等电位保护分级保护共模与差模IO1IO2IDMICM2ICM1雷击能量通常以共模的形式通过线缆注入到设备当中，在传播过程中，共模能量转换成驱动门电路的差模能量将门电路击穿，或者其他介质击穿损毁。雷击浪涌案例分析案例一现象描述：S78项目使用博通平台，在进行雷击测试的时候6KV损坏MODEM模块电路，两个0欧姆电阻被打爆，三极管被打黑，周围的介质被烧糊。两个被烧糊的电阻被打黑的两个三极管案例一（续）分析验证：经验证，发现三极管并没损坏，损坏的是0欧姆电阻。对比老版本，原理图基本没有大的变化，Layout差别较大，两个470pF的高压电容放的位置比较远，且从接口进来到高压电容的管脚的引线比较细而长。案例一（续）两个高压电容两个零欧电阻两个三极管案例一（续）整改方案：如上图所述，共模雷击能量经由电话信号线缆向内部PCB电路进行冲击，通过电源适配器处的数字GND返回。雷击返回GND的路径有三条：两个高压电容，经过两个0欧姆的两个三极管组成的电桥。最初的防雷设计路径为通过两个高压电容来吸收雷击能量，减少雷击能量向MODEM内部电路释放的冲击。由于冲向MODEM内部电路的雷击电流增大，两个0欧姆电阻所承受的功率也跟着增大。因此，将0欧姆电阻从0603封装改成0805，增大电阻的瞬间承受功率，或者用两个0603代替也可解决问题，这是成本最低的方法。当然，可以加两个雷击管代替高压电容，这就昂贵了。案例二现象描述：T100在进行雷击测试当中，能通过4KV的差模测试，却通过不了3KV的共模测试，测试发现数字部分的MODEM解调IC被打爆。案例二(续）变压器的绝缘物质没被打坏，而U7被打挂了，由共模击穿所致案例二(续）整改方案雷击从线缆注入，流入到电源GND，途径了MODEM电路，再经过变压器到数字部分，将数字部分的U7打爆，而旁边的U12由于串联的电阻很大而具有相对高的抗雷击能力。变压器的绝缘系数没被打坏，因此电气参数良好。T100的变压器跟S78具有很大差别，变压器的绕合系数非常高，导致雷击能量从模拟部分进入到数字电路的能量大小变的很大，最终将U7打爆。提高U7的抗雷击能量显得不现实，因此改变雷击的路径是个可行的办法，加了两个共模雷击管而减少从变压器耦合的雷击能量将问题完全解决。方案优化：经过对敏感IC的对比研究，最后只加一个防雷管OK；AVDDDVDD150P150PDB104S-SMD4T2P950006C3947PR38237KR48100U5CX20548-QFN16R256.81MR246.81MC250.047UR22280R31280R27280R21280C330.01UR49150KR36110R379.1R4556R433.01R443.01次级的IC被打爆AB假设防雷管的嵌位电源为Uc，那么，在RJ11接口处，A点与B点的共模防雷嵌位电压分别为：Uca=Uc，Ucb=Uc+Uc=2Uc,Uc的选择非常重要，IC在雷击电压被嵌位到2Uc时，再经由此IC已经不会损坏了。案例三现象描述：S90D应用了新MODEM方案，在雷击5KV测试中，数字MODEM芯片被打爆。此外，S90D在RE水平极化测试中，800MHz~1GHz超标2dB。4729.358329.8017.3147.1147.000.11QP被打爆的IC雷击部分：共模雷击能量经由MODEM接口RJ11流经MODEM模拟部分，再经过两个33pF的高压电容，将数字MODEM解调IC打爆。辐射部分：共模噪声由数字MODEM芯片产生经由高压电容33pF传至RJ11口辐射超标；案例三（续）整改方案方案一：在两个高压电容33pF靠近数字MODEM芯片端的两个PIN上分别加压敏电阻对GND，提高抗雷击能量通过6KV共模测试，在这两个压敏电阻上方并联33pF，解决800MHz~1GHz辐射超标问题；、带来的问题：此数字IO端口加的电容不能过大，芯片差异太大，有的信号上升沿20ns都可以工作，但有的12ns就不能工作；结论：此方案不可行，原因为芯片信号识别的差异性所致。案例三（续）案例三（续）方案二：将数字MODEM芯片与高压电容之间的电阻从56欧姆换成120欧姆，另外再并联压敏电阻（寄生电容为12pF）。这样信号上升沿为8ns左右，排除了芯片信号识别的差异性，解决了辐射超标与雷击6KV损坏。带来的问题：在进行天线TIS灵敏度测试时，发现在4个频段基本下降了10dB，大大降低了天线的接受性能；结论：此方案不可行，原因是MODEM芯片发出到高压电容的信号不能加电容或带具有寄生电容的压敏电阻；尝试：为实现BOM低成本控制，发现增大两个高压电容间距在PCB上4mm可以提高到5KV测试OK，但此高压电容大封装的极不划算，比现在所用的贵6毛钱以上，而现用的高压电容偏差很大，总体在3.8~4.2之间，不符合全部都要在4mm以上的PIN间距离要求。案例三（续）方案三：去掉RJ11上两个470pF电容，将其中一个换成BS2300N防雷管，解决共模6KV防雷测试。增加AGND与GND一个470pF电容解决辐射超标800MHz~1GHz。这样，数字MODEM芯片到33pF高压电容之前参数保持了不变。结论：再次经天线四个频段的TIS性能测试，发现毫无影响，因此天线TIS，RF，Lighting综合方案至此完成。产品设计防雷要点回路路径器件防雷电路的抗雷性能介质的绝缘性能介质的抗热性能介质的抗腐蚀性能导体的阻抗及热熔点半导体的抗雷性能敏感线路不应该在主体雷击路径回路路径应该通畅，对应防雷等级的回路宽度或者横截面积合适，避免