? ?TVS管在手機(jī)防浪涌設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析
一、行業(yè)現(xiàn)狀分析：
? ?? ???在電子設(shè)備高度發(fā)展的今天，手機(jī)的可靠性越來(lái)越受到重視，特別是出口非洲和東南亞的手機(jī)，由于天氣和電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，浪涌問題日益凸顯。所以，手機(jī)增加TVS防浪涌已經(jīng)成為主流。特別是品牌手機(jī)，全部要求增加很高的防浪涌標(biāo)準(zhǔn)。
? ?? ???目前手機(jī)行業(yè)主要以3G和4G為主，其中，中低端手機(jī)以MTK和展訊為主要平臺(tái)。這兩款手機(jī)平臺(tái)在4G方案上一般采用主板GND通過(guò)充電電流采樣電阻接電池負(fù)極完成電路（3G不一樣），采樣電阻通常為10mR或者20mR。
? ?? ???大多數(shù)4G手機(jī)電路設(shè)計(jì)防浪涌的時(shí)候，電池端TVS管的電路設(shè)計(jì)不合理，造成TVS鉗位電壓過(guò)高，加到后端的殘壓過(guò)高而損壞后端電路。在整改過(guò)程中就有可能要增加更多的TVS做保護(hù)，甚至還要更換其他元件來(lái)配合，無(wú)形中就增加了整改的難度和成本。所以，我們就需要分析一下防浪涌設(shè)計(jì)的一些問題和解決方案。
二、主要問題：
電路設(shè)計(jì)中主要存在以下兩個(gè)問題：
1、電路走線不合理：
? ?? ? 隨著Layout工程師水平的提高和對(duì)防浪涌的重視，走線不合理的情況越來(lái)越少見，但也還是可以碰到。
2、TVS的電路設(shè)計(jì)不合理：
? ?? ? TVS的電路設(shè)計(jì)不合理就比較普遍存在了，基本行業(yè)內(nèi)MTK和展訊4G的方案都存在，這種設(shè)計(jì)不合理USB和電池端都存在，電池端更普遍。可能產(chǎn)生這個(gè)問題的原因是對(duì)TVS工作方式理解不夠，或者重視程度不夠。不重視可能是因?yàn)橛行C(jī)型測(cè)試?yán)擞恳彩悄苓^(guò)的，或者說(shuō)能不能過(guò)浪涌是做浪涌器件的廠家該考慮的問題，主板設(shè)計(jì)可以考慮少點(diǎn)。這個(gè)問題我們重點(diǎn)討論。
? ?? ? 需要強(qiáng)調(diào)的是，這里說(shuō)的TVS的電路設(shè)計(jì)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、問題分析：
1、電路走線不合理主要體現(xiàn)如下圖：

分析：浪涌電壓進(jìn)入電路后，電源總線在沒有經(jīng)過(guò)TVS之前就產(chǎn)生分支，這樣的走線有可能造成后端電路2的損壞，而走線合理的后端電路1則可以被TVS保護(hù)，這種情況應(yīng)該避免。

合理的走線如下圖：

分析：浪涌電壓進(jìn)入電路后，浪涌能量先經(jīng)過(guò)TVS泄流、鉗位，之后在加到后端電路1和后端電路2上，這樣后端電路可以得到很好的保護(hù)，這是合理的走線。

2、TVS電路設(shè)計(jì)不合理主要體現(xiàn)如下圖：

分析：TVS放置于電源輸入總線和主板GND之間，再通過(guò)采樣電阻接到輸出總線。這樣浪涌能量就是從電源總線進(jìn)來(lái)，先經(jīng)過(guò)TVS，再經(jīng)過(guò)采樣電阻流出電路。

舉例說(shuō)明這樣電路的不合理之處：
? ?? ???假如浪涌發(fā)生器產(chǎn)生300V的浪涌電壓，即會(huì)產(chǎn)生150A左右的浪涌電流I，I經(jīng)過(guò)TVS產(chǎn)生一個(gè)鉗位電壓V1，然后I再流經(jīng)采樣電阻，產(chǎn)生一個(gè)壓降V2。假如采樣電阻是20mR，則V2=I*R就是3V。順著示波器兩根表筆往右看，則加在后端電路上的殘壓V=V1 + V2，也就是V=V1 + 3。這個(gè)采樣電阻實(shí)實(shí)在在的就給后端電路增加了3V的殘壓，對(duì)一些器件可能沒影響，但是對(duì)一些抗壓比較差的器件產(chǎn)生很大問題。
? ?? ???我們碰到有客戶想降成本，選用一些價(jià)格便宜一點(diǎn)的PA或者PMU，但是因?yàn)槔擞繙y(cè)試的問題擱置。要整改浪涌問題可能就要增加TVS器件，還有可能要改板，改板的話生產(chǎn)治具也要改。總的來(lái)說(shuō)，不管是增加浪涌器件還是改板，都是會(huì)提高成本的。這3V就是壓垮駱駝的最后一根稻草。
? ?? ???還有一點(diǎn)就是TVS放置的位置盡量靠近端口，讓浪涌電流進(jìn)入電路之后能盡快流出去，減小大電流對(duì)主板的影響。

合理的TVS電路設(shè)計(jì)如下圖：

分析：TVS放置于電源輸入輸出總線之間，這樣浪涌能量就是從電源總線進(jìn)來(lái)，經(jīng)過(guò)TVS，馬上流出電路，大電流不經(jīng)過(guò)后端電路和采樣電阻。

同樣的舉例條件下說(shuō)明電路的合理之處：
? ?? ???假如浪涌發(fā)生器產(chǎn)生300V的浪涌電壓，即會(huì)產(chǎn)生150A左右的浪涌電流，電流經(jīng)過(guò)TVS產(chǎn)生一個(gè)鉗位電壓V，順著示波器兩根表筆往右看，則加在后端電路上的殘壓就是V，明顯這個(gè)殘壓會(huì)低很多。
? ?? ???在浪涌測(cè)試要求比較高的情況下，比如需要過(guò)450V的浪涌標(biāo)準(zhǔn)，則浪涌電流在250A左右。如果250A流經(jīng)采樣電阻，功率不夠的采樣電阻馬上就會(huì)被打爆，機(jī)器也損壞。以一個(gè)0805的20mR的采樣電阻為例，常規(guī)功率是1/8W，如果要能承受250A的電流能量，可能就要換成1/2W的高功率電阻。常規(guī)電阻價(jià)格6分錢，反正肯定不用1毛，而高功率電阻的價(jià)格要2毛多。一個(gè)電阻就差1毛多，如果設(shè)計(jì)合理就能省下1毛多，降成本就能可以從這里開始，再算算TVS數(shù)量、再看看便宜的PA、PMU，都是錢啊，呵呵。

四、實(shí)際案例：
TVS電路設(shè)計(jì)不合理如下圖：

合理的TVS電路設(shè)計(jì)如下圖：

TVS電路設(shè)計(jì)不合理波形圖如下：

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浪涌電壓：200V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?浪涌電壓：250V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?浪涌電壓：300V
Vc：12V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???Vc：13.6V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Vc：14.8V
Ipp：106A? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???Ipp：132A? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???Ipp：160A
TVS電路設(shè)計(jì)合理波形圖如下：

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浪涌電壓：200V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?浪涌電壓：300V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?浪涌電壓：400V? ?? ?? ?? ?? ?? ???浪涌電壓：450V
Vc：9.2V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???Vc：11.6V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?Vc：14V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? Vc：14.8V
Ipp：108A? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???Ipp：164A? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???Ipp：220A? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???Ipp：246A

實(shí)際案例中，TVS電路設(shè)計(jì)不合理的情況下，使用多顆TVS管做保護(hù)，但是鉗位電壓依然很高，此款PCBA打到300V就不能再往上打了，否則主板會(huì)損壞。TVS電路設(shè)計(jì)合理的情況下，只使用1顆TVS做保護(hù)，鉗位電壓很低，浪涌電壓可以一直往上加，加到450V主板依然是好的，效果非常明顯。

五、總結(jié)：
? ?? ? 手機(jī)防浪涌要在電路設(shè)計(jì)之初就要重視，為以后的調(diào)試和其他工作做好準(zhǔn)備。首先防浪涌器件的電路設(shè)計(jì)就要正確，然后浪涌器件的布局要注意，最后電源自動(dòng)測(cè)試的走線也需要考慮，把一些細(xì)節(jié)做好之后后面的工作也可以容易很多，控制成本方面也有幫助。