【摘要】

某設(shè)備采取集中供電系統(tǒng)，外界直流通過設(shè)備-48V直流電源模塊送電給背板，各槽位單板從背板直接取-48V，在單板進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換成其他電壓供各芯片使用。直流電源模塊具備浪涌防護(hù)功能，但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)單板TVS被浪涌擊穿短路，而電源模塊完好無損的情況。針對這種現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究，找出了問題根源，并給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

一、問題提出

某設(shè)備采取集中供電系統(tǒng)，外界直流通過設(shè)備-48V直流電源模塊送電給背板，各槽位單板從背板直接取-48V，在單板進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換成其他電壓供各芯片使用，如圖1所示。設(shè)備在現(xiàn)場正常運(yùn)行時(shí)，突然發(fā)現(xiàn)一塊單板掉電，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)這塊單板上-48V電源區(qū)域保險(xiǎn)絲（FU1）已經(jīng)斷路，線地之間的TVS（VD1）已經(jīng)短路。單板-48V電源防護(hù)圖如圖2所示。據(jù)此推斷，應(yīng)該是TVS首先短路，造成-48V和PGND之間產(chǎn)生大電流，大電流造成保險(xiǎn)絲熔斷，從而單板掉電。正常使用中TVS為何會短路呢？

圖1 ：設(shè)備系統(tǒng)框圖

圖2 ：單板電源區(qū)域防護(hù)示意圖

二、問題分析

一個(gè)正常的TVS會在3種情況下失效短路：

1）正向過電流

2）反向過電壓

3）瞬間能量沖擊超過器件本身脈沖峰值功率

分析：

1）正向過電流

設(shè)備正常工作中，因?yàn)镚NDP電壓永遠(yuǎn)比-48V電壓高，TVS無法形成正向電流。所以該情況不會產(chǎn)生，排除；

2）反向過電壓

據(jù)現(xiàn)場供電系統(tǒng)監(jiān)控日志反映，機(jī)房直流配電柜輸出一直很穩(wěn)定，電壓波動很小。另外從設(shè)備內(nèi)部儲存的信息看，輸入電壓一直沒有出現(xiàn)異常。另外在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室對此型號TVS進(jìn)行反向高壓測試，一直到－80V，TVS都工作正常。據(jù)此推動，反向過電壓也不可能。

3）瞬間能量沖擊超過器件本身脈沖峰值功率

理論上來自外界的瞬間能量沖擊，比如雷擊浪涌等，也不會直接作用到單板上，因?yàn)橹坝兄绷麟娫茨K防護(hù)。產(chǎn)品在轉(zhuǎn)產(chǎn)認(rèn)證時(shí)，都進(jìn)行了相應(yīng)的浪涌測試，設(shè)備表現(xiàn)都很正常。經(jīng)現(xiàn)場分析，這次出問題的設(shè)備機(jī)房是處在遠(yuǎn)端機(jī)房，座落在一個(gè)半山腰，并且處于雷擊多發(fā)地區(qū)。是不是耦合到的雷擊能量過大引起TVS被擊穿短路？理論上即使沖擊能量大，首先損壞的應(yīng)該是直流電壓模塊，單板應(yīng)受到保護(hù)。可是實(shí)際情況確實(shí)電壓完好無損，單板TVS短路。帶著該疑問，在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行浪涌測試，看能否復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場情況。

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三、問題復(fù)現(xiàn)

在公司試驗(yàn)室對該設(shè)備進(jìn)行浪涌測試，測試應(yīng)力逐步加強(qiáng)，觀察測試結(jié)果。

測試配置：該設(shè)備機(jī)框，業(yè)務(wù)板三塊，風(fēng)扇插箱兩個(gè)，配一現(xiàn)場返回直流電源模塊和一正常直流電源模塊。

浪涌波形：1.2/50us(8/20us)，內(nèi)阻12Ω。

測試現(xiàn)象：

1.設(shè)備配從現(xiàn)場返回的直流電源，對電源口進(jìn)行線地±2KV浪涌，結(jié)果電源正常，一塊單板出現(xiàn)-48V和PGND之間TVS短路，保險(xiǎn)絲熔斷現(xiàn)象。

2.重新更換這塊單板TVS和保險(xiǎn)絲，對線地打±4KV正常，打±6KV時(shí)，三塊板TVS全部短路，保險(xiǎn)絲熔斷。

3.設(shè)備配一正常直流電源，更換三塊板TVS和保險(xiǎn)絲，在對電源口打±6KV時(shí)，所有單板TVS短路，保險(xiǎn)絲熔斷。

4.去掉三塊單板上所有TVS（VD1和VD2共6個(gè)），換上好的保險(xiǎn)絲，對直流電源口打±6KV，共打了40次，單板正常。

5.拆開現(xiàn)場返回的直流電源和正常直流電源，查看內(nèi)部器件情況，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電源完全一樣，沒有任何損傷現(xiàn)象。測量器件參數(shù)也都正常。

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四、問題解決

通過上面的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浪涌確實(shí)能造成單板TVS短路，而電源模塊沒有受損的現(xiàn)象，這和客戶現(xiàn)場看到的現(xiàn)象一樣。從實(shí)踐上論證了理論推斷的正確性。

但是從系統(tǒng)防護(hù)上來分析，理論上直流電源在整個(gè)設(shè)備防護(hù)最前端，對于外界能量沖擊，應(yīng)首先動作，保護(hù)后面的單板。但實(shí)際中直流電源正常，單板卻被打壞了。對比直流電源的防護(hù)設(shè)計(jì)和單板上的防護(hù)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)直流電源模塊上線地之間的防護(hù)只有壓敏電阻（圖3紅圈），線線之間才有TVS（圖3藍(lán)圈），而單板上線地既有TVS（圖2紅圈），又有壓敏電阻（圖2藍(lán)圈）。眾周所知，TVS響應(yīng)時(shí)間比壓敏電阻相應(yīng)時(shí)間塊，TVS可以達(dá)到pS級，而壓敏響應(yīng)時(shí)間只有nS級別。會不會一個(gè)浪涌過來時(shí)，單板上TVS先動作，或者和壓敏同時(shí)動作。

于是在分別直流電源線地間壓敏電阻兩端和單板線地間TVS兩端采集浪涌波形。防止示波器被高壓打壞，只對直流電源口進(jìn)行了2KV浪涌測試。測試波形如圖4。從圖4可以看出，直流電源上的壓敏電阻和單板上的TVS幾乎同時(shí)動作，共同分擔(dān)浪涌的能量。

圖3 ：直流電源模塊防護(hù)示意圖

圖4 ：浪涌波形圖（黃色為電源上壓敏兩端波形，紫紅色為單板上TVS兩端波形。）

五、問題總結(jié)

至此問題原因基本明朗：

1. 直流電源模塊的防護(hù)設(shè)計(jì)和單板-48V防護(hù)設(shè)計(jì)配合不合理，造成直流電源和單板共同承擔(dān)外界沖擊能量。

2．單板上TVS最大可以單獨(dú)承受1.5KV的浪涌。在設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)產(chǎn)（1KV浪涌）和應(yīng)用于環(huán)境良好的機(jī)房時(shí)，由于外界沖擊能量較小，即使TVS承受主要的沖擊，也在本身脈沖峰值功率以下，不會被擊穿短路。

3. 如果設(shè)備放在防雷條件差的遠(yuǎn)端機(jī)房，則可能感應(yīng)能量大的雷擊浪涌，這種浪涌能量分擔(dān)到直流電源和單板上，當(dāng)分擔(dān)到單板上的能量超過TVS承受能量時(shí)，則造成TVS短路。

注：在測試中出現(xiàn)過一次線地2KV時(shí)，造成一塊單板TVS擊穿短路，以后再也沒有復(fù)現(xiàn)，以后基本都是6KV時(shí)造成單板TVS擊穿短路。

原因可能存在兩點(diǎn)：

直流電源模塊防護(hù)器件沒來得及動作，能量全部到單板TVS上。（單板上TVS最大可以承受1.5KV的浪涌。）直流電源和單板都動作了，但主控上的TVS因?yàn)閭€(gè)別質(zhì)量問題，防護(hù)能量差，造成短路。

因?yàn)檫@種現(xiàn)象以后也未復(fù)現(xiàn)，最終原因只能是上面兩個(gè)之一。

單板去掉TVS后，對待大能量浪涌，不會造成短路情況，設(shè)備工作正常。

針對測試結(jié)果和分析結(jié)論，對待目前已經(jīng)轉(zhuǎn)產(chǎn)發(fā)貨和正在研發(fā)的單板分別給出以下措施：

1.既有的轉(zhuǎn)產(chǎn)發(fā)貨的批量產(chǎn)品，在不改變PCB情況下，去掉單板上TVS。

2.對于正在改版和研發(fā)中的單板電源部分方案已經(jīng)結(jié)合具體直流電源模塊防護(hù)設(shè)計(jì)情況統(tǒng)一給出。單板新防護(hù)設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 ：單板電源區(qū)域新防護(hù)示意圖

審核編輯：黃飛