電磁兼容培訓(xùn)雷擊浪涌案例分析

Lighting/SurgeAnalysisRarkiiLiu,2013.6第一頁(yè)，共四十七頁(yè)。1、雷擊浪涌防護(hù)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(cè)試工程及相關(guān)感興趣人員3小時(shí)劉勛武提高我司的雷擊浪涌設(shè)計(jì)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(hù)能力。培訓(xùn)目的培訓(xùn)對(duì)象培訓(xùn)講師學(xué)習(xí)重點(diǎn)培訓(xùn)課時(shí)第二頁(yè)，共四十七頁(yè)。Agenda雷擊浪涌介紹雷擊浪涌標(biāo)準(zhǔn)雷擊浪涌防護(hù)原理雷擊浪涌案例分析第三頁(yè)，共四十七頁(yè)。雷擊浪涌介紹第四頁(yè)，共四十七頁(yè)。第五頁(yè)，共四十七頁(yè)。雷擊的分類(lèi)及危害分類(lèi)直擊雷感應(yīng)雷危害云層之間的放電主要對(duì)飛行器有危害云層對(duì)大地的放電，則對(duì)建筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜危害甚大。第六頁(yè)，共四十七頁(yè)。雷擊的危害第七頁(yè)，共四十七頁(yè)。雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估必要性：據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有4萬(wàn)多各雷暴中心，每天大約有8百萬(wàn)次雷擊，這意味著每秒鐘至少有100次雷擊。因此，雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(duì)可能導(dǎo)致的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失程度與危害程度等方面的綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，為建設(shè)工程項(xiàng)目選址和功能分區(qū)布局、防雷類(lèi)別與防雷措施確定等提出建設(shè)性意見(jiàn)的一種評(píng)價(jià)方法。第八頁(yè)，共四十七頁(yè)。雷擊電壓的計(jì)算第九頁(yè)，共四十七頁(yè)。正方形回路的互感第十頁(yè)，共四十七頁(yè)。正方形回路的過(guò)電壓計(jì)算第十一頁(yè)，共四十七頁(yè)。并行電纜回路電感第十二頁(yè)，共四十七頁(yè)。并行電纜回路過(guò)電壓計(jì)算第十三頁(yè)，共四十七頁(yè)。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。浪涌電壓是指的超出正常工作電壓的瞬間過(guò)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(guò)載電流。第十四頁(yè)，共四十七頁(yè)。浪涌的危害在電子設(shè)計(jì)中，浪涌主要指的是電源（只是主要指電源）剛開(kāi)通的那一瞬息產(chǎn)生的強(qiáng)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(lái)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(hù)就是利用非線性元器件對(duì)高頻（浪涌）的敏感設(shè)計(jì)的保護(hù)電路，簡(jiǎn)單而常用的是并聯(lián)大小電容和串聯(lián)電感.第十五頁(yè)，共四十七頁(yè)。雷擊浪涌標(biāo)準(zhǔn)第十六頁(yè)，共四十七頁(yè)。IEC雷擊標(biāo)準(zhǔn)A、IEC61024系列（直擊雷防護(hù)系列）IEC61024--1：1990建筑物防雷第一部分：通則IEC61024—1—1：1993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(hù)級(jí)別的選擇IEC61024—1—2：1998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(jì)、施工、維護(hù)和檢測(cè)IEC61024—2：（草案）建筑物高于60M的附加要求IEC61024—3：（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(hù)系列）1995IEC61312—1：雷擊電磁脈沖的防護(hù)第一部分：通則IEC61312—2：雷擊電磁脈沖的防護(hù)第二部分：建筑物的屏蔽，等電位連接及接地IEC61312—3：雷擊電磁脈沖的防護(hù)第三部分浪涌對(duì)電涌保護(hù)器（SPD）的要求IEC61312—4：雷擊電磁脈沖的防護(hù)第四部分現(xiàn)在建筑物內(nèi)信息系統(tǒng)的保護(hù)IEC61312—5：雷擊電磁脈沖的防護(hù)第五部分應(yīng)用指南

C、TC81還出版了對(duì)TC81標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充完善標(biāo)準(zhǔn)IEC61662：雷擊損害危險(xiǎn)度評(píng)估準(zhǔn)第十七頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(cè)量參數(shù)TC64標(biāo)準(zhǔn)系列：

IEC60664—1：1992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(cè)試

IEC60364—4：1992建筑物的電氣設(shè)施第四部分安全保護(hù)IEC60364—5—534：1997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(guò)電壓保護(hù)器件IEC60536—2：1992防止電擊保護(hù)系列TC73標(biāo)準(zhǔn)系列；IEC61643—1：1998接至低壓配電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器第一部分性能及測(cè)試要求IEC61643—2：1997低壓系統(tǒng)的電涌保護(hù)器第二部分選擇和使用TC73還出版了接入通訊和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)電壓保護(hù)器以及元件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（IEC61643-3、IEC61644、IEC61647—1/2/3/4）TC77還出版了大量有關(guān)電磁兼容的文件，其中IEC61000—4是關(guān)于電磁兼容性和電磁干擾的防護(hù)，與防雷有關(guān)第十八頁(yè)，共四十七頁(yè)。ITU雷擊標(biāo)準(zhǔn)K.11過(guò)電壓和過(guò)電流防護(hù)的原則K.12電信裝置保護(hù)用氣體放電管的特性K.15遠(yuǎn)共系統(tǒng)和線路中繼器對(duì)雷電和臨近電力線路引起的干擾的防護(hù)K.17為檢驗(yàn)防外界干擾的裝置在固定器件遠(yuǎn)共中繼器上的試驗(yàn)K.20電信交換設(shè)備耐過(guò)電壓和過(guò)電流的能力K.21用戶終端設(shè)備耐過(guò)電壓和過(guò)電流的能力K.22連接至ISDNT/S總線的設(shè)備的耐過(guò)電壓能力K.25光纜的保護(hù)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(hù)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(hù)方案第十九頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(yàn)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(shí)對(duì)電信系統(tǒng)產(chǎn)生耦合時(shí)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(lèi)—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(hù)文件的選擇K.39通信局站雷電損害危險(xiǎn)的評(píng)估K.40電信中心LEMP的防護(hù)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)備的抗擾性要求第二十頁(yè)，共四十七頁(yè)。GB雷擊標(biāo)準(zhǔn)《計(jì)算機(jī)場(chǎng)地安全要求》GB2887—89，1989年《電子計(jì)算機(jī)機(jī)防設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-93：1993《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ/T16-92：1993《建筑物防雷規(guī)范》GB50057—94YD-T728-1994電話機(jī)防雷技術(shù)要求及測(cè)試方法YD-T993-2006電信終端設(shè)備防雷技術(shù)要求及試驗(yàn)方法GB17626.05_1999浪涌沖擊抗擾度實(shí)驗(yàn)第二十一頁(yè)，共四十七頁(yè)。GB17626.05_1999–IEC61000-4-5RCRS1RMRS2UcCLr開(kāi)路電壓（1.2/50us）：

上升時(shí)間T1=1.67T=1.2us+30%

半峰值時(shí)間T2=50us+20%短路電流（8/20us）上升時(shí)間T1=1.25T=8us+30%

半峰值時(shí)間T2=20us+20%

第二十二頁(yè)，共四十七頁(yè)。雷擊浪涌防護(hù)原理LANCOMMODEMPOWER第二十三頁(yè)，共四十七頁(yè)。簡(jiǎn)述從EMC三要素出發(fā)源頭，不可控制，雷擊能量時(shí)大時(shí)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(hù)技術(shù)出發(fā)接地屏蔽保護(hù)等電位連接第二十四頁(yè)，共四十七頁(yè)。LightingProtectionZone第二十五頁(yè)，共四十七頁(yè)。進(jìn)出線纜端口的防雷等電位連接第二十六頁(yè)，共四十七頁(yè)。設(shè)備的等電位保護(hù)第二十七頁(yè)，共四十七頁(yè)。分級(jí)保護(hù)第二十八頁(yè)，共四十七頁(yè)。共模與差模IO1IO2IDMICM2ICM1雷擊能量通常以共模的形式通過(guò)線纜注入到設(shè)備當(dāng)中，在傳播過(guò)程中，共模能量轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)門(mén)電路的差模能量將門(mén)電路擊穿，或者其他介質(zhì)擊穿損毀。第二十九頁(yè)，共四十七頁(yè)。雷擊浪涌案例分析第三十頁(yè)，共四十七頁(yè)。案例一現(xiàn)象描述：S78項(xiàng)目使用博通平臺(tái)，在進(jìn)行雷擊測(cè)試的時(shí)候6KV損壞MODEM模塊電路，兩個(gè)0歐姆電阻被打爆，三極管被打黑，周?chē)慕橘|(zhì)被燒糊。兩個(gè)被燒糊的電阻被打黑的兩個(gè)三極管第三十一頁(yè)，共四十七頁(yè)。案例一（續(xù)）分析驗(yàn)證：

經(jīng)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)三極管并沒(méi)損壞，損壞的是0歐姆電阻。對(duì)比老版本，原理圖基本沒(méi)有大的變化，Layout差別較大，兩個(gè)470pF的高壓電容放的位置比較遠(yuǎn)，且從接口進(jìn)來(lái)到高壓電容的管腳的引線比較細(xì)而長(zhǎng)。第三十二頁(yè)，共四十七頁(yè)。案例一（續(xù)）兩個(gè)高壓電容兩個(gè)零歐電阻兩個(gè)三極管第三十三頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(hào)線纜向內(nèi)部PCB電路進(jìn)行沖擊，通過(guò)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(gè)高壓電容，

經(jīng)過(guò)兩個(gè)0歐姆的兩個(gè)三極管組成的電橋

。最初的防雷設(shè)計(jì)路徑為通過(guò)兩個(gè)高壓電容來(lái)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(gè)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(gè)0603代替也可解決問(wèn)題，這是成本最低的方法。當(dāng)然，可以加兩個(gè)雷擊管代替高壓電容，這就昂貴了。第三十四頁(yè)，共四十七頁(yè)。案例二現(xiàn)象描述：T100在進(jìn)行雷擊測(cè)試當(dāng)中，能通過(guò)4KV的差模測(cè)試，卻通過(guò)不了3KV的共模測(cè)試，測(cè)試發(fā)現(xiàn)數(shù)字部分的MODEM解調(diào)IC被打爆。第三十五頁(yè)，共四十七頁(yè)。案例二(續(xù)）變壓器的絕緣物質(zhì)沒(méi)被打壞，而U7被打掛了，由共模擊穿所致第三十六頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(guò)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(duì)高的抗雷擊能力。變壓器的絕緣系數(shù)沒(méi)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(shí)，因此改變雷擊的路徑是個(gè)可行的辦法，加了兩個(gè)共模雷擊管而減少?gòu)淖儔浩黢詈系睦讚裟芰繉?wèn)題完全解決。方案優(yōu)化：

經(jīng)過(guò)對(duì)敏感IC的對(duì)比研究，最后只加一個(gè)防雷管OK；第三十七頁(yè)，共四十七頁(yè)。次級(jí)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(diǎn)與B點(diǎn)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(shí)，再經(jīng)由此IC已經(jīng)不會(huì)損壞了。第三十八頁(yè)，共四十七頁(yè)。案例三現(xiàn)象描述：S90D應(yīng)用了新MODEM方案，在雷擊5KV測(cè)試中，數(shù)字MODEM芯片被打爆。此外，S90D在RE水平極化測(cè)試中，800MHz~1GHz超標(biāo)2dB。

4729.358329.8017.3147.1147.000.11QP第三十九頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(guò)兩個(gè)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)）第四十頁(yè)，共四十七頁(yè)。整改方案方案一：在兩個(gè)高壓電容33pF靠近數(shù)字MODEM芯片端的兩個(gè)PIN上分別加壓敏電阻對(duì)GND，提高抗雷擊能量通過(guò)6KV共模測(cè)試，在這兩個(gè)壓敏電阻上方并聯(lián)33pF，解決800MHz~1GHz輻射超標(biāo)問(wèn)題；、帶來(lái)的問(wèn)題：此數(shù)字IO端口加的電容不能過(guò)大，芯片差異太大，有的信號(hào)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?yàn)樾酒盘?hào)識(shí)別的差異性所致。案例三（續(xù)）第四十一頁(yè)，共四十七頁(yè)。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(hào)上升沿為8ns左右，排除了芯片信號(hào)識(shí)別的差異性，解決了輻射超標(biāo)與雷擊6KV損壞。帶來(lái)的問(wèn)題：在進(jìn)行天線TIS靈敏度測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)在4個(gè)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(hào)不能加電容或帶具有寄生電容的壓敏電阻；嘗試：為實(shí)現(xiàn)BOM低成本控制，發(fā)現(xiàn)增大兩個(gè)高壓電容間距在PCB上4mm可以提高到5KV測(cè)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(qián)以上，而現(xiàn)用的高壓電容偏差很大，總體在3.8~4.2之間，不符合全部都要在4mm以上的PIN間距離要求。第四十二頁(yè)，共四十七頁(yè)。案例三（續(xù)）方案三：去掉RJ11上兩個(gè)470pF電容，將其中一個(gè)換成