電磁兼容培訓(xùn)雷擊浪涌案例分析PPT課件

1、1、雷擊浪涌防護原理2、雷擊浪涌分析思路3、雷擊浪涌傳播形式系統(tǒng)工程、硬件工程、Layout、測試工程及相關(guān)感興趣人員3小時劉勛武提高我司的雷擊浪涌設(shè)計水平，拓寬工程師的雷擊浪涌故障分析思路，提高我司的產(chǎn)品的雷擊浪涌防護能力。培訓(xùn)目的培訓(xùn)目的培訓(xùn)對象培訓(xùn)對象培訓(xùn)講師培訓(xùn)講師學(xué)習(xí)重點學(xué)習(xí)重點培訓(xùn)課時培訓(xùn)課時第1頁/共46頁Agenda第2頁/共46頁雷擊浪涌介紹雷擊浪涌介紹第3頁/共46頁第4頁/共46頁雷擊的分類及危害 分類 直擊雷 感應(yīng)雷 危害 云層之間的放電主要對飛行器有危害 云層對大地的放電，則對建筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜危害甚大。第5頁/共46頁雷擊的危害第6頁/共46頁雷擊風(fēng)險評估

2、 必要性：據(jù)統(tǒng)計，全世界約有4萬多各雷暴中心，每天大約有8百萬次雷擊，這意味著每秒鐘至少有100次雷擊。因此，雷擊風(fēng)險評估非常有必要。 定義：根據(jù)雷電及其災(zāi)害特征進(jìn)行分析，對可能導(dǎo)致的人員傷亡、財產(chǎn)損失程度與危害程度等方面的綜合風(fēng)險計算，為建設(shè)工程項目選址和功能分區(qū)布局、防雷類別與防雷措施確定等提出建設(shè)性意見的一種評價方法。第7頁/共46頁雷擊電壓的計算第8頁/共46頁正方形回路的互感第9頁/共46頁正方形回路的過電壓計算第10頁/共46頁并行電纜回路電感第11頁/共46頁并行電纜回路過電壓計算第12頁/共46頁浪涌的產(chǎn)生 浪涌指瞬間出現(xiàn)超出穩(wěn)定值的峰值，它包括浪涌電壓和浪涌電流。 浪涌電壓是

3、指的超出正常工作電壓的瞬間過電壓。 浪涌電流是指電源接通瞬間或是在電路出現(xiàn)異常情況下產(chǎn)生的遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)電流的峰值電流或過載電流。第13頁/共46頁浪涌的危害 在電子設(shè)計中，浪涌主要指的是電源（只是主要指電源）剛開通的那一瞬息產(chǎn)生的強力脈沖，由于電路本身的非線性有可能高于電源本身的脈沖；或者由于電源或電路中其它部分受到本身或外來尖脈沖干擾叫做浪涌. 它很可能使電路在浪涌的一瞬間燒壞，如PN結(jié)電容擊穿，電阻燒斷等等. 而浪涌保護就是利用非線性元器件對高頻（浪涌）的敏感設(shè)計的保護電路，簡單而常用的是并聯(lián)大小電容和串聯(lián)電感.第14頁/共46頁雷擊浪涌標(biāo)準(zhǔn)雷擊浪涌標(biāo)準(zhǔn)第15頁/共46頁IEC雷擊標(biāo)準(zhǔn)A、I

4、EC61024系列（直擊雷防護系列） IEC61024-1： 1990 建筑物防雷 第一部分： 通則 IEC6102411：1993 建筑物防雷 第一部分： 通則 第一分部分： 指南A防雷裝置保護級別的選 擇IEC6102412：1998 建筑物防雷 第一部分： 通則 第二分部分： 指南B防雷裝置的設(shè)計、施工、維護和檢測 IEC610242： （草案） 建筑物高于60M的附加要求 IEC610243： （草案） 火災(zāi)爆炸環(huán)境物的附加要求B、IEC61312系列（雷擊電磁脈沖防護系列）1995 IEC613121： 雷擊電磁脈沖的防護 第一部分： 通則 IEC613122： 雷擊電磁脈沖的防護

5、第二部分： 建筑物的屏蔽，等電位連接及接地 IEC613123： 雷擊電磁脈沖的防護 第三部分 浪涌對電涌保護器（SPD）的要求 IEC613124： 雷擊電磁脈沖的防護 第四部分 現(xiàn)在建筑物內(nèi)信息系統(tǒng)的保護 IEC613125： 雷擊電磁脈沖的防護 第五部分 應(yīng)用指南 C、TC81還出版了對TC81標(biāo)準(zhǔn)的補充完善標(biāo)準(zhǔn) IEC61662： 雷擊損害危險度評估準(zhǔn)第16頁/共46頁IEC雷擊標(biāo)準(zhǔn)（續(xù)）IEC61663： 關(guān)于通信線路的防雷 IEC61819： 模擬防雷裝置各部件效應(yīng)的測量參數(shù) TC64標(biāo)準(zhǔn)系列： IEC606641： 1992 低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合 第一部分 原則、要求及測試

6、IEC603644： 1992 建筑物的電氣設(shè)施 第四部分 安全保護 IEC603645534：1997 建筑物的電氣設(shè)施 第五部分 電子設(shè)備的選擇與安裝、 第534節(jié) 過電壓保護器件 IEC605362： 1992 防止電擊保護系列 TC73標(biāo)準(zhǔn)系列； IEC616431： 1998 接至低壓配電系統(tǒng)的浪涌保護器 第一部分 性能及測試要求 IEC616432： 1997 低壓系統(tǒng)的電涌保護器 第二部分 選擇和使用 TC73還出版了接入通訊和信號網(wǎng)絡(luò)的過電壓保護器以及元件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（IEC61643-3、IEC61644、IEC616471/2/3/4） TC77還出版了大量有關(guān)電磁兼容的文件

7、，其中IEC610004是關(guān)于電磁兼容性和電磁干擾的防護，與防雷有關(guān)第17頁/共46頁ITU雷擊標(biāo)準(zhǔn)K.11 過電壓和過電流防護的原則 K.12 電信裝置保護用氣體放電管的特性 K.15 遠(yuǎn)共系統(tǒng)和線路中繼器對雷電和臨近電力線路引起的干擾的防護 K.17 為檢驗防外界干擾的裝置在固定器件遠(yuǎn)共中繼器上的試驗 K.20 電信交換設(shè)備耐過電壓和過電流的能力 K.21 用戶終端設(shè)備耐過電壓和過電流的能力K.22 連接至ISDN T/S總線的設(shè)備的耐過電壓能力 K.25 光纜的保護K.27 電信大樓內(nèi)的邊接結(jié)構(gòu)和接地 K.28 電信設(shè)備保護用半導(dǎo)體避雷器組件的特性 K.29 地下通信電纜、光纜的綜合保護

8、方案 第18頁/共46頁ITU雷擊標(biāo)準(zhǔn)（續(xù)）K.30 正溫系數(shù)（PTC）熱敏電阻K.31 用戶大樓內(nèi)電信裝置的連接結(jié)構(gòu)和接地 K.32 電信設(shè)備的抗靜電放電干擾性要求和試驗方法基本的（EMC）建議 K.33 交流電力和交流電氣化鐵道裝置發(fā)生故障時對電信系統(tǒng)產(chǎn)生耦合時的人身安全極限值 K.34 電信設(shè)備的電磁環(huán)境條件分類快速瞬變及射頻現(xiàn)象K.35 遠(yuǎn)端電子站的連接結(jié)構(gòu)和接地 K.36 保護文件的選擇 K.39 通信局站雷電損害危險的評估 K.40 電信中心LEMP的防護 K.42 制定電信設(shè)備的發(fā)射和抗擾性要求標(biāo)準(zhǔn)總則 K.43 電信設(shè)備的抗擾性要求第19頁/共46頁GB雷擊標(biāo)準(zhǔn) 計算機場地安全

9、要求 GB288789， 1989年 電子計算機機防設(shè)計規(guī)范 GB50174-93： 1993 民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范 JGJ/T16-92： 1993 建筑物防雷規(guī)范GB5005794 YD-T 728-1994 電話機防雷技術(shù)要求及測試方法 YD-T 993-2006 電信終端設(shè)備防雷技術(shù)要求及試驗方法 GB 17626.05_1999 浪涌沖擊抗擾度實驗第20頁/共46頁GB 17626.05_1999 IEC61000-4-5RCRS1RMRS2UcCLr開路電壓（1.2/50us）： 上升時間T1=1.67T=1.2us+30% 半峰值時間T2=50us+20%短路電流（8/20us）

10、 上升時間T1=1.25T=8us+30% 半峰值時間T2=20us+20% 第21頁/共46頁雷擊浪涌防護原理雷擊浪涌防護原理LANCOMMODEMPOWER第22頁/共46頁簡述 從EMC三要素出發(fā) 源頭，不可控制，雷擊能量時大時小 路徑，盡量控制或者遠(yuǎn)離雷擊電流路徑 敏感體，盡量提高敏感體的抗雷擊能力從EMC防護技術(shù)出發(fā) 接地 屏蔽保護 等電位連接第23頁/共46頁Lighting Protection Zone第24頁/共46頁進(jìn)出線纜端口的防雷等電位連接第25頁/共46頁設(shè)備的等電位保護第26頁/共46頁分級保護第27頁/共46頁共模與差模IO1IO2IDMICM2ICM1雷擊能量通

11、常以共模的形式通過線纜注入到設(shè)備當(dāng)中，在傳播過程中，共模能量轉(zhuǎn)換成驅(qū)動門電路的差模能量將門電路擊穿，或者其他介質(zhì)擊穿損毀。第28頁/共46頁雷擊浪涌案例分析雷擊浪涌案例分析第29頁/共46頁案例一 現(xiàn)象描述： S78項目使用博通平臺，在進(jìn)行雷擊測試的時候6KV損壞MODEM模塊電路，兩個0歐姆電阻被打爆，三極管被打黑，周圍的介質(zhì)被燒糊。兩個被燒糊的電阻被打黑的兩個三極管第30頁/共46頁案例一（續(xù)） 分析驗證： 經(jīng)驗證，發(fā)現(xiàn)三極管并沒損壞，損壞的是0歐姆電阻。 對比老版本，原理圖基本沒有大的變化，Layout差別較大，兩個470pF的高壓電容放的位置比較遠(yuǎn)，且從接口進(jìn)來到高壓電容的管腳的引線比

12、較細(xì)而長。第31頁/共46頁案例一（續(xù)）兩個高壓電容兩個零歐電阻兩個三極管第32頁/共46頁案例一（續(xù)） 整改方案： 如上圖所述，共模雷擊能量經(jīng)由電話信號線纜向內(nèi)部PCB電路進(jìn)行沖擊，通過電源適配器處的數(shù)字GND返回。 雷擊返回GND的路徑有三條：兩個高壓電容， 經(jīng)過兩個0歐姆的兩個三極管組成的電橋 。最初的防雷設(shè)計路徑為通過兩個高壓電容來吸收雷擊能量，減少雷擊能量向MODEM內(nèi)部電路釋放的沖擊。 由于沖向MODEM內(nèi)部電路的雷擊電流增大，兩個0歐姆電阻所承受的功率也跟著增大。因此，將0歐姆電阻從0603封裝改成0805，增大電阻的瞬間承受功率，或者用兩個0603代替也可解決問題，這是成本最低

13、的方法。當(dāng)然，可以加兩個雷擊管代替高壓電容，這就昂貴了。第33頁/共46頁案例二 現(xiàn)象描述： T100在進(jìn)行雷擊測試當(dāng)中，能通過4KV的差模測試，卻通過不了3KV的共模測試，測試發(fā)現(xiàn)數(shù)字部分的MODEM解調(diào)IC被打爆。第34頁/共46頁案例二(續(xù)）變壓器的絕緣物質(zhì)沒被打壞，而U7被打掛了，由共模擊穿所致第35頁/共46頁案例二(續(xù)） 整改方案 雷擊從線纜注入，流入到電源GND，途徑了MODEM電路，再經(jīng)過變壓器到數(shù)字部分，將數(shù)字部分的U7打爆，而旁邊的U12由于串聯(lián)的電阻很大而具有相對高的抗雷擊能力。變壓器的絕緣系數(shù)沒被打壞，因此電氣參數(shù)良好。 T100的變壓器跟S78具有很大差別，變壓器的繞

14、合系數(shù)非常高，導(dǎo)致雷擊能量從模擬部分進(jìn)入到數(shù)字電路的能量大小變的很大，最終將U7打爆。 提高U7的抗雷擊能量顯得不現(xiàn)實，因此改變雷擊的路徑是個可行的辦法，加了兩個共模雷擊管而減少從變壓器耦合的雷擊能量將問題完全解決。 方案優(yōu)化： 經(jīng)過對敏感IC的對比研究，最后只加一個防雷管OK；第36頁/共46頁次級的IC被打爆AB 假設(shè)防雷管的嵌位電源為Uc，那么，在RJ11接口處，A點與B點的共模防雷嵌位電壓分別為： Uca=Uc，Ucb=Uc+Uc=2Uc, Uc的選擇非常重要，IC在雷擊電壓被嵌位到2Uc時，再經(jīng)由此IC已經(jīng)不會損壞了。第37頁/共46頁案例三 現(xiàn)象描述： S90D應(yīng)用了新MODEM方

15、案，在雷擊5KV測試中，數(shù)字MODEM芯片被打爆。此外，S90D在RE水平極化測試中，800MHz1GHz超標(biāo)2dB。4729.358329.8017.3147.1147.000.11QP第38頁/共46頁被打爆的IC雷擊部分：共模雷擊能量經(jīng)由MODEM接口RJ11流經(jīng)MODEM模擬部分，再經(jīng)過兩個33pF的高壓電容，將數(shù)字MODEM解調(diào)IC打爆。輻射部分：共模噪聲由數(shù)字MODEM芯片產(chǎn)生經(jīng)由高壓電容33pF傳至RJ11口輻射超標(biāo)；案例三（續(xù)）第39頁/共46頁 整改方案 方案一：在兩個高壓電容33pF靠近數(shù)字MODEM芯片端的兩個PIN上分別加壓敏電阻對GND，提高抗雷擊能量通過6KV共模測

16、試，在這兩個壓敏電阻上方并聯(lián)33pF，解決800MHz1GHz輻射超標(biāo)問題；、 帶來的問題：此數(shù)字IO端口加的電容不能過大，芯片差異太大，有的信號上升沿20ns都可以工作，但有的12ns就不能工作； 結(jié)論：此方案不可行，原因為芯片信號識別的差異性所致。案例三（續(xù)）第40頁/共46頁案例三（續(xù)） 方案二：將數(shù)字MODEM芯片與高壓電容之間的電阻從56歐姆換成120歐姆，另外再并聯(lián)壓敏電阻（寄生電容為12pF）。這樣信號上升沿為8ns左右，排除了芯片信號識別的差異性，解決了輻射超標(biāo)與雷擊6KV損壞。 帶來的問題：在進(jìn)行天線TIS靈敏度測試時，發(fā)現(xiàn)在4個頻段基本下降了10dB，大大降低了天線的接受性能； 結(jié)論：此方案不可行，原因是MODEM芯片發(fā)出到高壓電容的信號不能加電容或帶具有寄生電容的壓敏電阻； 嘗試：為實現(xiàn)BOM低成本控制，發(fā)現(xiàn)增大兩個高壓電容間距在PCB上4mm可以提高到5KV測試OK，但此高壓電容大封裝的極不劃算，比現(xiàn)在所用的貴6毛錢以上，而現(xiàn)用的高壓電容偏差很大，總體在3.84.2之間，不符合全部都要在4mm以上的PIN間距離要求。第41頁/共46頁案例三（續(xù)） 方案三：去掉RJ11上兩個470pF電容，將其中一個換成BS2300N防雷管，解決共模6KV防雷測試。增加AGND與GND一個470pF電容解決輻射超標(biāo)800MHz1GHz。這樣，數(shù)字MOD