从零学运放—11 运放干扰和静电处理（二）

讲个共模导致问题的案例。

这个图是做高频机的时候碰到的一个电路图。我们可以看到一个信号过来当时用的是光耦（6N137）进入电路通过驱动集成IC对三极管驱动然后驱动MOS管，右边电路是H桥，右边的整个电路对H桥做驱动，VCC供电是由AP1501（跟LM2575一样的，AP1501不过是台湾产的）供电。我们知道S1导通的时候（左边的MOS管就等价与右边的S*管子），那A点电压一下子就升高了，A点就是左图的MOS管下边，当S1关闭的时候S3导通的时候A点电压下降（当年工作电压从100伏到300伏波动的）。假如工作电压在300伏（Vdc）的情况下，那么你可以看到这个A点也让S1的源极是浮动的（0—300伏浮动，频率是1M），那么S1和A点呢是工作信号，是-5伏到10伏之间，因为关断的时候给S1一个反偏电压-5伏，驱动导通的时候给它10伏的正偏电压，那么这个实际上变成-5伏到10伏这是个差模信号，但是共模信号是多少300伏，因为A点电压是浮动的0伏到300伏不停的变，那么当A电视300伏的时候，那么S1点就是300+-5到300+10这个范围了，于是AP1501电源模块给驱动电路供电的，导致驱动供电电路输出和地的共模信号是300伏，当时调试的时候供电电源的电压是慢慢调上去的，0调到100再调到200再调上去，实验发现经常超过180的时候，嘣RGB管全炸，因为很多时候RGB管和MOS管事公用的，只不过有些时候场景不一样，还有MOS管频率可以高一点，RGB频率低一点，这里都是当超频使用的。那么回来当电压调到180伏以上的时候很容易炸，有些时候到200付伏炸。这个问题一直持续2-3个月找不出来问题在哪里。最后发现AP1501会发烫，按理说不工作的情况下不怎么发烫的或低压下也不怎么发烫的，但是高压下它会发烫，甚至把前边的整流二极管（SS28肖特基二极管）烧掉，比较奇怪，后来突然想到了，后边的共模信号会不会对驱动电路的供电电源有影响。因为当时机器是仿别人的国产机，他用的型号不是AP1501好像是LM2575（国半），但是2575很贵啊7-8块一颗，AP1501是1-2块一颗，那么指标方面1501要比2575要好，2575电流才1安，1501可以做到3安，输入电压都差不多，都是40伏附近，所以指标比2575要好，怎么可能坏呢，所以没有怀疑驱动电源被共模干扰。后来突然想到A点电压是浮动的，这浮动会不会导致AP1501扛不住，那个时候也发现了AP1501前面的二极管会发烫很厉害而且AP1501自身也会有一定的发热量，当然也不是很烫，也没有说烫到烧坏的情况。后来我们发现S1（上桥臂）容易炸，S3（下桥臂）不容易炸，于是就怀疑到这个共模信号有没有影响。后来呢在15伏和地之间加了共模磁环，两根线并起来在磁芯里绕了很多圈（20-30圈），欻电压就上去了可以上到300伏都没问题了。由于出货多了之后发现AP1501还是坏，后来有些地方换成了2575就没问题，所以这个指标在AP1501上和2575文档上从来没有提到过共模指标，但后来推理发现电流小的场景AP1501里边毕竟有个三极管，抗共模没有2575擅长。那么我们来分析下原因，当Co下电压升高，那么输入端同时也升高，地升高（300V）那么输入马上330伏了，那么输出电压315，但是输出有个L1电感，由于电感信号无法往芯片方向走，而电感附近有个二极管，二极管虽然可以供电往上走，肖特基二极管响应速度也比较块，但是没有电容块，电容是最快的，因为电容式无源器件，二极管反偏导通还是需要时间的，从这个角度上讲导致了一些不平衡，于是说Co下方电压突变虽然说输出端电压也变了下边300伏，输出315伏，但是电感电压无法迅速传递，输入端都是电容传递过去，输入应是330伏了，L1左边没有达到300伏上，还比较低的电压下，那么输入端和L1左端的电压差过高，因为AP1501工作40伏输入上允许范围就是40伏。那么共模导致的压差提高了平衡，虽然二极管有一定的弥补作用，但是超过了AP1501的压差范围，于是把AP1501烧了。以前分析的时候出现了一个错误，认为MOS管或者RGB管炸了之后引起的AP1501烧坏，因为后来发现炸管对应的AP1501都会烧，前后顺序是不一样的，是炸管了之后引起1501烧呢?还是RGB管烧引起的问题?，这两个性质就不等价了。为了降低成本，后来就加了共模没问题了，因为2575 7-8块钱，1501两块钱，所以用AP1501加了共模就没问题了。

这是第二个例子，这是个自动化工厂，当时去呢他们说有三个PLC烧坏了，都是PLC跟HMI屏通信端口烧坏了，PLC与HMI是串口，都是阴雨天烧坏的，之后他们用笔记本下载程序完之后，PLC与HMI屏就无法通信上了，无法显示屏幕。那么我们分析下，阴雨天笔记本下载程序之后就烧了，笔记本连接开关电源，开关电源连的双孔插座，因为双孔插座所以开关电源产生干扰，荣国笔记本笔记本再到PLC通过USB接口，USB接口和HMI串口是公用电源的，当潮湿天的时候，机壳就跟地之间形成回路了（因为潮湿），那么这么接起来，整个回路就导通了，因为零线是跟地接的到开关电源连接电脑原边有个10nF的电容，经过笔记本，这时人触摸笔记本肯定带电了，笔记本当时用的都是东芝的金属壳笔记本，那么笔记本USB口上肯定就有强的干扰电（开关电源开关引起的）就几十伏了，这个电通过USB线到单片机，USB线用的也没有共模磁环之类的（没有这方面意识），PLC因为潮湿天跟机壳是连接的，机壳有接到地上，于是整个形成了一个回路，于是这个干扰电就把跟USB相关的232串口弄烧了。

公司做的小区门禁，在公司测试RFID刷卡是没问题的，到了客户那经常反映刷卡刷不成功。后来调查发现是夜里插了很多电瓶车，电瓶车的电源是从门禁附近引出来的，所以是电瓶车充电器开关电源导致的干扰即有共模又有差模，通过电源插座进入我们的RFID系统里边来了，于是导致刷卡不成功。还有就是RFID的PCB良好接地，就降低了干扰，因为RFID系统是辐射出的磁场，我们金属壳它会反射磁场引起磁场变化，如果我们RFID的PCB跟金属壳没有接到一起，那么他们两个之间存在一个浮动关系，就是RFID的电路板跟壳存在一个浮动关系，那么增加了RFID天线的干扰。

我们做运放的时候示波器非常重要，要不停的观察各个信号，因为示波器接上去测试的时候会影响运放的工作，因为运放的输入端信号是非常微弱的，示波器接上去之后示波器上的表笔也会有电出来，虽然这个点非常微弱，但是在有些uA级的地方必然会影响，最关键示波器本身就是开关电源做的，所以要想示波器良好测量，示波器要么就接地良好，但是示波器接地良好也会出现问题，因为很多时候我们会把示波器表笔的夹子不是夹在PCB的地上，而是夹在有些的信号线上比如说5伏上或者一些地方上为了方便，结果好了把5伏短路了，所以为了解决这个问题，尤其做高频机有些地方是有火线的，我们要测量带火线的地方那么不能把夹子夹在火线上，否则就短路了，把表笔都可以炸断。为了解决这个问题我们可以加个给力变压器，隔离变压器把零线完全绝断开，这样可以明显的降低示波器对测量干扰的影响，还有就是表笔上可以套一些磁环降低对PCB干扰的影响。有条件的呢就是PCB地接地的也接，示波器该接地的也接，但是一定要小心。

这是信号的保护，加入ESD器件，两颗二极管和稳压二极管起保护作用，好处是当信号高于电源时可以从上边二极管流走，低于地的时候从下边二极管流走，这是个很好的保护方式。

端口保护方式抽象出来就是上图的电路图，利用电源来实现静电保护，一个干扰过来高于电源的从上边的二极管走了，低于地的从下边二极管走了，有条件的再串联一个电阻，因为虽然可以从二极管走，但是还有个响应速度问题，串一个电阻之后让干扰往后走的难度高一些。后边两个二极管是芯片内部的二极管，因为芯片里的端口基本上都具备二极管保护，所有有些文档上你会看到端口电压不能是电源电压加0.5伏和地电压减0.5伏，其实就是芯片内部二极管引起的。那外部二极管可以用高速的肖特基二极管，因为肖特基二极管压降低，例如BAT60压降做到了0.2伏—0.3伏。芯片内部毕竟是0.5伏以上，所以先通过肖特基二极管先把点多导走比较好。当然BAT60比较贵，可以用RB520之类便宜一点的。

RS485总线的保护芯片，RS485相对于串口发送接收来说，它是个差分信号，差分信号天然有一种抗共模的能力，并且芯片设计的时候供电是5~12伏，据有宽的抗共模电压-8~12.5伏，因为芯片一般供电都是5伏吗，允许的共模范围呢有可能是-5~12.5伏，那超过了肯定就抗不住了，怎么办可以套共模磁环。两根线共同的绕起来，相互绕再串到磁环里边。静电只能用TVS管了，不能用上面的方式（IO端口静电保护）,因为有共模电压在。

*供电：5~12V

*宽共模电压：-8~12.5V

*保护：TVS管、共模磁环

压敏电阻为什么这样接线呢，怎么会有三个啊，按理说，只要两个就能起到浪涌保护作用啦，接于两个接线端子之间的大的是什么工作原理啊?

电源防雷的保护模式有共模和差模两方式。共模保护指相线-地线（L-PE）、零线-地线（N-PE）间的保护；差模保护指相线-零线（L-N）保护。如下电路：

L、N线间压傲虎敏电阻一般为14D471K或14D561K。线-大地间的保护选择14D182K。

压敏电阻MOV是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻主要可用于直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路。

共模保护：指SPD接在相线，中性线对地线之间，线路与设备内电路和器件对地绝缘。
差模保护：指SPD接在相线对中性线之间与相线与相线之间。保护设备两个输入端之间的电路与器件

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