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  • 2019-05-23
  • 发表了主题帖: TVS管在手机防浪涌设计中的应用分析

                         TVS管在手机防浪涌设计中的应用分析 (作为乙方,我的原创建议给甲方工程师带来了尴尬,来论坛里抒发一下)一、行业现状分析:                在电子设备高度发展的今天,手机的可靠性越来越受到重视,特别是出口非洲和东南亚的手机,由于天气和电网稳定性的影响,浪涌问题日益凸显。所以,手机增加TVS防浪涌已经成为主流。特别是品牌手机,全部要求增加很高的防浪涌标准。                目前手机行业主要以3G和4G为主,其中,中低端手机以MTK和展讯为主要平台。这两款手机平台在4G方案上一般采用主板GND通过充电电流采样电阻接电池负极完成电路(3G不一样),采样电阻通常为10mR或者20mR。                大多数4G手机电路设计防浪涌的时候,电池端TVS管的电路设计不合理,造成TVS钳位电压过高,加到后端的残压过高而损坏后端电路。在整改过程中就有可能要增加更多的TVS做保护,甚至还要更换其他元件来配合,无形中就增加了整改的难度和成本。所以,我们就需要分析一下防浪涌设计的一些问题和解决方案。 二、主要问题:        电路设计中主要存在以下两个问题:        1、电路走线不合理:               随着Layout工程师水平的提高和对防浪涌的重视,走线不合理的情况越来越少见,但也还是可以碰到。        2、TVS的电路设计不合理:               TVS的电路设计不合理就比较普遍存在了,基本行业内MTK和展讯4G的方案都存在,这种设计不合理USB和电池端都存在,电池端更普遍。可能产生这个问题的原因是对TVS工作方式理解不够,或者重视程度不够。不重视可能是因为有些机型打浪涌也是能过的,或者说能不能过浪涌是做浪涌器件的厂家该考虑的问题,主板设计可以考虑少点。这个问题我们重点讨论。              需要强调的是,这里说的TVS的电路设计合理是指原理上合理,然后才是位置上合理,前者比后者重要。 三、问题分析: 1、电路走线不合理主要体现如下图:http://img3.laibafile.cn/p/m/307551700.png分析:浪涌电压进入电路后,电源总线在没有经过TVS之前就产生分支,这样的走线有可能造成后端电路2的损坏,而走线合理的后端电路1则可以被TVS保护,这种情况应该避免。 合理的走线如下图:http://img3.laibafile.cn/p/m/307556272.png分析:浪涌电压进入电路后,浪涌能量先经过TVS泄流、钳位,之后在加到后端电路1和后端电路2上,这样后端电路可以得到很好的保护,这是合理的走线。 2、TVS电路设计不合理主要体现如下图:http://img3.laibafile.cn/p/m/307557318.png分析:TVS放置于电源输入总线和主板GND之间,再通过采样电阻接到输出总线。这样浪涌能量就是从电源总线进来,先经过TVS,再经过采样电阻流出电路。 举例说明这样电路的不合理之处:                假如浪涌发生器产生300V的浪涌电压,即会产生150A左右的浪涌电流I,I经过TVS产生一个钳位电压V1,然后I再流经采样电阻,产生一个压降V2。假如采样电阻是20mR,则V2=I*R就是3V。顺着示波器两根表笔往右看,则加在后端电路上的残压V=V1 + V2,也就是V=V1 + 3。这个采样电阻实实在在的就给后端电路增加了3V的残压,对一些器件可能没影响,但是对一些抗压比较差的器件产生很大问题。                我们碰到有客户想降成本,选用一些价格便宜一点的PA或者PMU,但是因为浪涌的问题搁置。要整改浪涌问题可能就要增加TVS器件,还有可能要改板,改板的话生产治具也要改。总的来说,不管是增加浪涌器件还是改板,都是会提高成本的。这3V就是压垮骆驼的最后一根稻草。                还有一点就是TVS放置的位置尽量靠近端口,让浪涌电流进入电路之后能尽快流出去,减小大电流对主板的影响。 合理的TVS电路设计如下图:http://img3.laibafile.cn/p/m/307557463.png分析:TVS放置于电源输入输出总线之间,这样浪涌能量就是从电源总线进来,经过TVS,马上流出电路,大电流不经过后端电路和采样电阻。 同样的举例条件下说明电路的合理之处:               假如浪涌发生器产生300V的浪涌电压,即会产生150A左右的浪涌电流,电流经过TVS产生一个钳位电压V,顺着示波器两根表笔往右看,则加在后端电路上的残压就是V,明显这个残压会低很多。             在浪涌要求比较高的情况下,比如需要过450V的浪涌标准,则浪涌电流在250A左右。如果250A流经采样电阻,功率不够的采样电阻马上就会被打爆,机器也损坏。以一个0805的20mR的采样电阻为例,常规功率是1/8W,如果要能承受250A的电流能量,可能就要换成1/2W的高功率电阻。常规电阻价格6分钱,反正肯定不用1毛,而高功率电阻的价格要2毛多。一个电阻就差1毛多,如果设计合理就能省下1毛多,降成本就能可以从这里开始,再算算TVS数量、再看看便宜的PA、PMU,都是钱啊,呵呵。 四、实际案例: TVS电路设计不合理如下图:http://img3.laibafile.cn/p/m/307557603.png 合理的TVS电路设计如下图:http://img3.laibafile.cn/p/m/307557635.pngTVS电路设计不合理波形图如下: http://img3.laibafile.cn/p/m/309003443.png http://img3.laibafile.cn/p/m/309003465.png http://img3.laibafile.cn/p/m/309003510.png             浪涌电压:200V                 浪涌电压:250V                   浪涌电压:300VVc:12V                        Vc:13.6V                        Vc:14.8VIpp:106A                      Ipp:132A                        Ipp:160ATVS电路设计合理波形图如下: http://img3.laibafile.cn/p/m/309003541.png http://img3.laibafile.cn/p/m/309003542.png http://img3.laibafile.cn/p/m/309003543.png http://img3.laibafile.cn/p/m/309003544.png               浪涌电压:200V          浪涌电压:300V           浪涌电压:400V            浪涌电压:450VVc:9.2V                Vc:11.6V                Vc:14V                   Vc:14.8VIpp:108A               Ipp:164A                Ipp:220A                 Ipp:246A 实际案例中,TVS电路设计不合理的情况下,使用多颗TVS管做保护,但是钳位电压依然很高,此款PCBA打到300V就不能再往上打了,否则主板会损坏。TVS电路设计合理的情况下,只使用1颗TVS做保护,钳位电压很低,浪涌电压可以一直往上加,加到450V主板依然是好的,效果非常明显。 五、总结:       手机防浪涌要在电路设计之初就要重视,为以后的调试和其他工作做好准备。首先防浪涌器件的电路设计就要正确,然后浪涌器件的布局要注意,最后电源的走线也需要考虑,把一些细节做好之后后面的工作也可以容易很多,控制成本方面也有帮助。 此内容由EEWORLD论坛网友JSXD原创,如需转载或用于商业用途需征得作者同意并注明出处

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    你可以考虑一下低频的433/315M超再生模块,纯模拟电路透传,低频的穿透能力也强,应该可以满足你的需要,其他方面的性能你再综合一下。

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