防护电路设计中不可忽视的盲点
1.概述
一个方案的设计，不单单要满足测试要求，也要满足实际应用需求，方案盲点往往是最容易被忽略的问题之一。所谓盲点，就是高于最大持续运行电压UC，但可引起一个多级防护电路不完全动作的工作点，这可造成防护电路中的一些元件遭受过载，导致防护失效。以下以一个实际的案例来进一步的说明。
2.问题描述
在防护电路设计领域，实战是最好的引证，下面讲述的是一个方案盲点的实际案例分析。
某客户的电源板，供电为AC24V，需要满足1.2/50-8/20μs，6KV-3KA的测试需求，初步验证方案时，是按照1KV、2KV、4KV、6KV验证的均能满足测试要求，但销售一段时间后，返修率较高，主要损坏是后级的TVS，方案图如图1所示：
图1 电源板原始设计防护方案
图2 电源板防护设计PCB图
为了找到TVS是否存在设计的缺陷，我们单独对方案做了如下低电压的测试，数据如下表1所示：
表1 验证原有方案
| 方案编号 | 测试 端口 | 防护器件 | 测试项目 | 测试结果 | 备注 |
| 1# | AC 24V | GDT+40V 600W TVS | 1.2/50-8/20μs DM ±500V 60 "±5次 | FAIL | TVS短路 |
| 1# | AC 24V | GDT+40V 600W TVS | 1.2/50-8/20μs DM ±550V 60 "±5次 | FAIL | TVS短路 |
| 1# | AC 24V | GDT+40V 600W TVS | 1.2/50-8/20μs DM ±580V 60 "±5次 | PASS | |
| 1# | AC 24V | GDT+40V 600W TVS | 1.2/50-8/20μs DM ±600V 60 "±5次 | PASS | |
| 1# | AC 24V | GDT+40V 600W TVS | 1.2/50-8/20μs DM ±1KV 60 "±5次 | PASS | |
| 1# | AC 24V | GDT+40V 600W TVS | 1.2/50-8/20μs DM ±2KV 60 "±5次 | PASS | |
| 1# | AC 24V | GDT+40V 600W TVS | 1.2/50-8/20μs DM ±4KV 60 "±5次 | PASS | |
| 1# | AC 24V | GDT+40V 600W TVS | 1.2/50-8/20μs DM ±6KV 60 "±5次 | PASS |
从以上数据看，在500V~550V时，方案出现TVS损坏，当浪涌电压提升到580V~6KV时，防护方案能正常的起到防护作用，而且器件没有损坏，由此可见，该方案确实存在盲点，盲点就是在580V以下。
3.原因分析
当浪涌电压较高时，由于上升速率较快，di/dt较大，在电感两端的压降也比较大，所以放电管很快就导通，流到后级的能量较小，后级TVS承受的电流也比较小，所以后级没有损坏；当浪涌电压较低时，电流的上升速率di/dt较慢，电感两端的压降较小，GDT可能动作，或者没有动作，基本上电流都往后级流动，而600W TVS通流能力有限，导致TVS短路。
4.处理措施
由以上分析，该方案存在的问题就是TVS的通流能力较小，客户板子体积有限，不能增大体积，而且PCB为成品，重新layout成本较高。只能选择一颗比较合适的器件（同封装）、通流量较大的TVS。那么新器件的表现如何呢？我们单独对器件做如表2通流测试：
表2 单体TVS通流测试数据
| 产品编号 | 防护器件 | 测试项目 | 测试结果 | 备注 |
| 2# | BV-SMBJ58C2 | 1.2/50-8/20μs DM 300V 2? 60"±5次 | PASS | |
| 2# | BV-SMBJ58C2 | 1.2/50-8/20μs DM 500V 2? 60"±5次 | PASS | |
| 2# | BV-SMBJ58C2 | 1.2/50-8/20μs DM 1000V 2? 60"±5次 | PASS |
从以上数据可得，即使前级未动作，后级也可以扛住1KV-500A的通流能力，由于TVS电压变高了，TVS的后级能否承受这个残压呢？上板测试数据如表3所示：
表3 整改后方案上板测试数据
| 设备编号 | 测试端口 | 防护器件 | 测试项目 | 测试 结果 | 备注 |
| 1# | AC24V | GDT+BV-SMBJ58C2 | 1.2/50-8/20μs±300V 2? 60 "±5次 | PASS | |
| 1# | AC24V | GDT+BV-SMBJ58C2 | 1.2/50-8/20μs±500V 2? 60 "±5次 | PASS | |
| 1# | AC24V | GDT+BV-SMBJ58C2 | 1.2/50-8/20μs±1KV 2? 60 "±5次 | PASS | |
| 1# | AC24V | GDT+BV-SMBJ58C2 | 1.2/50-8/20μs±2KV 2? 60 "±5次 | PASS | |
| 1# | AC24V | GDT+BV-SMBJ58C2 | 1.2/50-8/20μs±4KV 2? 60 "±5次 | PASS | |
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