接口防护指南

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接口防护指南

2024-04-16 17:36| 来源: 网络整理| 查看: 265

AI摘要:本文介绍了接口防护中的浪涌问题,包括浪涌的定义、类型、特点以及对电子设备的影响。浪涌是由雷电、开关操作等引起的瞬态高压噪声,分为雷涌、开关浪涌、负载突降浪涌和ESD。浪涌可能导致大面积损坏、焊盘/金属层烧坏等问题。文章详细讨论了浪涌的防护措施,如共模浪涌抑制电路、超高浪涌电压抑制电路等,并提供了浪涌测试方法。此外,还提到了手机行业对浪涌标准的高要求,以及TVS管的功率要求和选型指南。Powered by AISummary.接口防护指南——浪涌

接口失效不仅有机械应力、电化学反应导致的失效,最重要的还是电气失效——静电ESD和浪涌SURGE。两者的范围如下图所示1。

静电属于短时高压,浪涌属于长时低压,后者能量更大持续时间更久。

对照上图,总结如下表所示。

瞬态过压稳态过压持续时间短长功率大稳定能量小稳定来源浪涌、静电、热插拔、过充电源接错,电源损坏,腐蚀

当超过ESD单元钳位电压的过电压出现在器件端子上时,器件会不会损坏就取决于ESD元件被击穿期间通过它的能量的多少。

ESD(Electro Static Discharge, 静电释放)和EOS(Electrical Over Stress, 电气过应力)都是与电压过应力有关的概念,但它们之间的差异也很明确:

ESD的电压很高(> 500V),持续时间相对较短(< 1µs)EOS的电压相对较低(< 100V),持续时间更长一些(通常 > 1µs)

对于器件来说,其电应力工作区间如下图所示,超过最大工作电压后会出现EOS损坏。

EOS损坏的器件失效图片如下所示,常伴有大面积烧毁、金线断裂,发热发烫或者不工作。

Effects of EOS (Electrical Overstress) on components - Jtron Technology ...

浪涌和静电损坏的特点如下表所示。

损坏类型浪涌、过压、过功率静电(ESD)特点大面积损坏微小的点损坏 焊盘/金属层烧坏IO PAD或相关联的线路失效物理损伤外观:烧裂、烧黑、鼓包外观:无异常或不明显 内部:金属层烧坏、碳化、铜线熔断内部:硅级别(栅极针孔,晶体管熔断)机制热损坏静电损坏 电压低电压高(>500V) 峰值电流10A~100A峰值电流1A~24A 持续时间1us~10min持续时间短(Vrwm>Vin(1.1~1.2:1:1)Vinmax>Vcl>Vbr(n:1.3:1)P=Vclamp*(Vsurge-Vclamp)/2

TVS的电气特性由器件结构、掺杂浓度、衬底电阻率所决定,浪涌功率和浪涌电流容量与结面积成正比。

Ipp是高于Vcl时的最大脉冲峰值电流,高于此值时TVS会损坏。

手机行业浪涌标准

国内目前标准里还没有具体的过压测试的指标,但是涉及出口的产品,都会提出相关的需求,从2015年的过压浪涌300V,到目前已经有客户需要测试500V。都显示了客户对过压可靠性的高要求。以下是网友摸到的大厂的测试标准5,可见大部分厂家的要求都是300V以上。

对于USB口上其他信号线要求如下:

常用电路结构如下图所示。

TVS1为VBUS浪涌管,防止充电时供电不稳产生浪涌,经过TVS管后会存在残压,残压需要实测,但不会超过钳位电压。后级OVP进行过压保护,保护后面的充电芯片。

TVS2为Vbat浪涌管,防止电池拔插时产生浪涌,保护充电芯片电池接口和PMIC的电池供电口。

测试方法

模拟雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理如下图所示。

上图是模拟雷电击到配电设备时,在输电线路中感应产生的浪涌电压,或雷电落地后雷电流通过公共地电阻产生的反击高压,的脉冲产生电路。4kV时的单脉冲能量为100焦耳。

图中Cs是储能电容(大约为10uF,相当于雷云电容);

Us为高压电源;

Rc为充电电阻;

Rs为脉冲持续时间形成电阻(放电曲线形成电阻);

Rm为阻抗匹配电阻Ls为电流上升形成电感。

雷击浪涌抗扰度试验对不同产品有不同的参数要求,上图中的参数可根据产品标准要求不同,稍有改动。

基本参数要求:

(1)开路输出电压:0.5~6kV,分5等级输出,最后一级由用户与制造商协商确定;

(2)短路输出电流:0.25~2kA,供不同等级试验用;

(3)内阻:2 欧姆,附加电阻10、12、40、42欧姆,供其它不同等级试验用;

(4)浪涌输出极性:正/负;浪涌输出与电源同步时,移相0~360度;

(5)重复频率:至少每分钟一次。

这个就是模拟雷击的脉冲发生器,其输出波形如下图所示。

1.2/50us的波形:开路电压波前时间1.2us;开路电压半峰值时间50us。

8/20us的波形:短路电流波前时间8us;短路电流半峰值时间20us。

1.2/50μS为开路电压波形,8/20μS为短路电流波形;对于低阻抗试品:组合波发生器模拟输出8/20μS波形,可作为冲击电流发生器使用;对于高阻抗试品,输出1.2/50μS波形,可作为冲击电压发生器。实际使用过程中为组合波形。

Reference Basics of TVS Diodes ↩ 浪涌类型和对策零部件 ↩ 干货|关于浪涌,看这一篇就够了! ↩ TVS管和ESD管的技术指标和选型指南 ↩ 静电、浪涌与TVS(测试标准、参数、选型) ↩


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