1.1 方案 I 和方案 II 的设计

-48V 供电电路要求浪涌防护能力 ±4kV（组合波1.2/50 μs，8/20μs 波形），因此设计了两种浪涌防护电路方案进行对比测试和验证，其原理都是压敏电阻进行通流大的粗防护，TVS 实现精确防护。方案 I 如图 1所示，为了保护好后级电路，-48 V（负极）线路上串联保险丝（A3），48RTN( 正极 ) 线路在入口处接保护地 P，经过压敏电阻（A2）和 TVS（A1）进行浪涌防护。如图 2 所示，方案 II 是在方案 I上进行了改进，在压敏电阻和 TVS之间的 -48V 线缆上增加电感（A4）。两种方案压敏电阻和 TVS 同规格型号，不同点就是方案 II多一个电感。

1.2 设计方案的测试方法

针对两种方案进行浪涌测试，在 -48V 和 48RTN之间施加测试应力，正负极性各施加至少 5 次浪涌冲击，每次间隔 1分钟，验证设计方案的正确性。各参数的测试设置要求如下 ：

2浪涌防护电路设计方案的测试结果与分析

2.1 测试结果

对所有样品的电源口进行浪涌测试，两种设计方案的测试结果如表 2 所示 ：

（1）测试应力（即浪涌）为 ±1kV，结果方案Ⅰ和方案Ⅱ的 6 个样品都正常。

（2）测试应力（即浪涌）为 ±2kV，方案Ⅰ出现一个样品突然掉电现象，另外两个样品正常。方案Ⅱ所有样品都正常。

（3）测试应力为 ±4 kV的浪涌，方案Ⅰ另外两个样品出现突然掉电现象，方案Ⅱ所有样品都正常。

2.2 结果分析

对测试结果（2）进行检查发现，掉电的测试样品在 -48V 电源区域出现 -48V 和 48RTN 之间 TVS（A1）短路，保险丝（A3）熔断，从而导致主电路断路（即掉电）。样品压敏电阻（A2）经测试为正常情况，其他器件经过检查同样没有任何损伤现象。更换失效的 TVS和保险丝，样品重新工作正常。据此推断，应该是 TVS首先短路，造成 -48V 和保护地（P）之间产生大电流，大电流造成保险丝熔断，从而造成样品掉电。测试结果（3）的原因与测试结果（2）相同。

当 TVS 承受的浪涌瞬间能量冲击超过本身脉冲峰值功率时，确实能造成 TVS 短路失效。但按照本设计方案的原则和初衷，样品前级有压敏电阻实现大能量冲击的粗防护，后级 TVS 实现精确细防护。压敏电阻应首先动作，保护后面的器件和电路。即使浪涌瞬间冲击能量大，动作后的压敏电阻也能将大能量在此环节泄放到大地，到 TVS 的瞬间冲击能量应该很小了，不足以让 TVS 损坏。若有器件损坏，首先损坏的应是压敏电阻。

可是，目前实际测试情况和设计之初设想的不一样，压敏电阻正常，后级细防护的 TVS 却被打坏了。TVS响应时间比压敏电阻相应时间快，TVS 可以达到 ps 级，而压敏响应时间只有 ns 级别。是否存在以下情况 ：在浪涌瞬间能量冲击时，样品中的 TVS 先动作，或者和压敏同时动作，造成 TVS 承受超过本身脉冲峰值功率的能量而损坏？而方案 II 所有样品表现正常，是否因为多一个电感的作用？

3浪涌防护电路设计方案的实验验证

为了验证上述推测的正确性，决定重新进行浪涌测试，捕捉防护器件动作波形，观察防护器件的动作和防护情况。取正常的方案 I 样品和方案 II 样品各一块，进行 ±2kV 浪涌测试。分别在压敏电阻两端和 TVS 两端采集浪涌波形。测试波形如图 3 和图 4 所示。可以看出，方案 I 上的压敏电阻和 TVS 几乎同时动作，一起分担浪涌的能量。而方案 II 压敏电阻动作后，TVS 才开始动作，时间相差 2μs 多，这个时间差让压敏电阻承担了冲击能量的大部分。验证了推测的正确性。

4结语

通过对浪涌防护电路设计方案的测试，分析及实验验证，可知 ：

（1）由于两个方案中选用的是最大可单独承受±1.5kV 浪涌的 TVS，因此当外界冲击能量较小时，即使 TVS 承受主要的冲击，也不会被击穿短路。

（2）方案 I 防护设计不合理，没有实现设计初衷。由于TVS 比压敏电阻的反应快，且在 TVS 与压敏电阻之间，无器件来阻挡大电流，当受到能量大的浪涌冲击时，会导致 TVS 被损坏。方案 II 在压敏电阻和 TVS 之间加电感，起到了延时和对浪涌电流限流的作用，保证了压敏电阻比 TVS 先动作，满足了设计要求。

（3）测试过程中方案 I 出现过一个样品在 ±2kV 浪涌时，TVS 击穿短路，另外两个样品正常的现象。原因是 TVS 性能的个体差异引起的不同现象。后面两个样品TVS 在 ±4kV 浪涌时全部损坏是必然，压敏电阻和 TVS同时承受了能量冲击，TVS 远远超过自身承受能力。

参考文献

[1] 郑军奇 .EMC（电磁兼容）设计与测试案例分析 [M]. 北京 : 电子工业出版社 ,2010.

本文收录在《中国防雷技术选编》2021

作者 | 中兴通讯南京研发中心 张本军 徐加征

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