浪涌防护器件要选对，布局布线更重要！

深圳比创达EMC

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浪涌测试，作为最常见的EMC抗干扰测试项目之一，基本上是家用消费电子必测的项目；其测试目的是为了验证产品在承受外部的浪涌冲击时能否正常工作。

一、比创达整改案例

1) 背景：

某智能插座产品在浪涌测试，需要过2kV差模浪涌测试；在实际测试时1kV注入无异常，1.5kV注入出现异常，EUT内部有器件烧毁。

2) 定位分析：

拆机分析，发现有颗芯片烧毁；进一步观察，发现其浪涌防护器件使用的是压敏电阻，看尺寸属于7D器件。与客户确认，是一颗7D511K压敏；其防护电路也如图3所示，防浪涌就是靠这颗压敏器件；查询其规格书，如图4发现其通流是1200A @ 8/20μs；但这个1200A是单次冲击时的标称通流，而压敏电阻的通流在连续多次冲击测试后通流会明显下降，我司的压敏规格书里就会区分1次和10次冲击测试的通流（一般受10次冲击后的通流会较1次冲击的通流弱化一半左右），如图5所示：

图4 客户用压敏器件规格参数（HEL-7D511K）

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图5 比创达7D561K压敏器件

规格参数（BTRMS07D561KF5150A07BF）

也就是说，选择压敏器件时要考虑其10次冲击后的通流能力，也即2kV浪涌至少需要选择10次冲击后通流1000A（根据差模浪涌的CDN阻抗为2Ω推算），1次冲击2000A的器件；所以客户选用的7D511K压敏是不满足通流的。

另外，咨询客户后得知，被炸毁的芯片的耐冲击电压在800V左右，所以根据图4中蓝框内标称的7D511K器件的钳位电压值，经此器件泄放保护的后级残压是大于800V的，这也是后端芯片被炸毁的可能原因之一，芯片不炸毁的话，压敏也可能炸掉。

3) 整改验证：

根据上面的分析，结合通流及芯片耐压考虑，我们选用了一颗14D471K器件（BTRMS14D471KF7150A14BF），其规格参数如图6所示：

图6 比创达14D471K压敏器件规格参数（BTRMH14D471KF7150A14BF）

从其规格参数中看出，其通流至少能达到3000A，即理论上能扛住6kV的浪涌电压测试，同时其钳位电压也小于800V，理应能将浪涌冲击电压钳位在较低水平，起到保护芯片的作用。

但是，换上更大通流的压敏后，实际测试时，1.5kV没问题，但2kV仍无法通过，在进行到第7次注入时，仍发生失效，芯片还是烧了…

这就很奇怪了，根据经验，问题可能出在产品PCB的布局布线上；因这类电源产品出于成本考虑，一般都是用两层板，且因产品应用场景，所以产品布局很紧凑，从实物上不好直接看其布线。与客户沟通，获得其PCB layout后，就发现：压敏的地线设计得似乎不大好，如图7，其中粉红色布线是板子上的地线，红色虚线框是压敏放置的初始位置，黄虚线是压敏泄放电流的路径，其中①②两处的走线比较细，①处线宽是1mm，②处应该在0.5mm左右；整个浪涌电流的泄放路径很长，而且部分区域线径还很窄；这就导致了泄放可能不及时，或是泄放不顺畅，种种因素叠加就可能导致了用了合适的器件，也没法起到合适的效果，后端器件依然没法得到有效保护。

图7 测试样品PCB布局布线

所以，发现问题的根因，接下来就好办了。因为不好改板，现场采用最简单粗暴的做法：改变浪涌电流的泄放路径，把压敏的地脚直接接在图中器件左侧的地上，不仅路径缩短，相应的线径也都够宽；如图中的橘黄虚框标注的就是优化后的压敏器件连接方式。

最终，仅仅是改了下压敏地pin的连接点（当然，也要用14D471K的器件），重复测试2kV浪涌注入、正负各20次没问题！

二、小结

1) 浪涌防护设计选用压敏做防护器件时，要关注该器件受多次冲击后的通流，而不只是单次冲击的通流；

2) PCB布局布线设计时要考虑浪涌泄放路径的顺畅与否，路径要尽量短、就近泄放，同时布线线宽要足够满足通流需求；

3) 线宽与冲击电流的关系，可参考：考虑30%~40%的降额设计，表层1OZ厚的铜，通流为1kA，则其线宽至少要设计为1.4mm；若走线在内层，相应的线宽还要增加1倍，或者将铜厚增加1倍。
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