【摘要】

某設備采取集中供電系統，外界直流通過設備-48V直流電源模塊送電給背板，各槽位單板從背板直接取-48V，在單板進行DC-DC轉換成其他電壓供各芯片使用。直流電源模塊具備浪涌防護功能，但在應用中發現單板TVS被浪涌擊穿短路，而電源模塊完好無損的情況。針對這種現象進行了分析研究，找出了問題根源，并給出了相應的改進措施。

一、問題提出

某設備采取集中供電系統，外界直流通過設備-48V直流電源模塊送電給背板，各槽位單板從背板直接取-48V，在單板進行DC-DC轉換成其他電壓供各芯片使用，如圖1所示。設備在現場正常運行時，突然發現一塊單板掉電，經檢查發現這塊單板上-48V電源區域保險絲（FU1）已經斷路，線地之間的TVS（VD1）已經短路。單板-48V電源防護圖如圖2所示。據此推斷，應該是TVS首先短路，造成-48V和PGND之間產生大電流，大電流造成保險絲熔斷，從而單板掉電。正常使用中TVS為何會短路呢？

圖1 ：設備系統框圖

圖2 ：單板電源區域防護示意圖

二、問題分析

一個正常的TVS會在3種情況下失效短路：

1）正向過電流

2）反向過電壓

3）瞬間能量沖擊超過器件本身脈沖峰值功率

分析：

1）正向過電流

設備正常工作中，因為GNDP電壓永遠比-48V電壓高，TVS無法形成正向電流。所以該情況不會產生，排除；

2）反向過電壓

據現場供電系統監控日志反映，機房直流配電柜輸出一直很穩定，電壓波動很小。另外從設備內部儲存的信息看，輸入電壓一直沒有出現異常。另外在研發實驗室對此型號TVS進行反向高壓測試，一直到－80V，TVS都工作正常。據此推動，反向過電壓也不可能。

3）瞬間能量沖擊超過器件本身脈沖峰值功率

理論上來自外界的瞬間能量沖擊，比如雷擊浪涌等，也不會直接作用到單板上，因為之前有直流電源模塊防護。產品在轉產認證時，都進行了相應的浪涌測試，設備表現都很正常。經現場分析，這次出問題的設備機房是處在遠端機房，座落在一個半山腰，并且處于雷擊多發地區。是不是耦合到的雷擊能量過大引起TVS被擊穿短路？理論上即使沖擊能量大，首先損壞的應該是直流電壓模塊，單板應受到保護。可是實際情況確實電壓完好無損，單板TVS短路。帶著該疑問，在研發實驗室進行浪涌測試，看能否復現現場情況。

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三、問題復現

在公司試驗室對該設備進行浪涌測試，測試應力逐步加強，觀察測試結果。

測試配置：該設備機框，業務板三塊，風扇插箱兩個，配一現場返回直流電源模塊和一正常直流電源模塊。

浪涌波形：1.2/50us(8/20us)，內阻12Ω。

測試現象：

1.設備配從現場返回的直流電源，對電源口進行線地±2KV浪涌，結果電源正常，一塊單板出現-48V和PGND之間TVS短路，保險絲熔斷現象。

2.重新更換這塊單板TVS和保險絲，對線地打±4KV正常，打±6KV時，三塊板TVS全部短路，保險絲熔斷。

3.設備配一正常直流電源，更換三塊板TVS和保險絲，在對電源口打±6KV時，所有單板TVS短路，保險絲熔斷。

4.去掉三塊單板上所有TVS（VD1和VD2共6個），換上好的保險絲，對直流電源口打±6KV，共打了40次，單板正常。

5.拆開現場返回的直流電源和正常直流電源，查看內部器件情況，發現兩個電源完全一樣，沒有任何損傷現象。測量器件參數也都正常。

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四、問題解決

通過上面的試驗發現，浪涌確實能造成單板TVS短路，而電源模塊沒有受損的現象，這和客戶現場看到的現象一樣。從實踐上論證了理論推斷的正確性。

但是從系統防護上來分析，理論上直流電源在整個設備防護最前端，對于外界能量沖擊，應首先動作，保護后面的單板。但實際中直流電源正常，單板卻被打壞了。對比直流電源的防護設計和單板上的防護設計，發現直流電源模塊上線地之間的防護只有壓敏電阻（圖3紅圈），線線之間才有TVS（圖3藍圈），而單板上線地既有TVS（圖2紅圈），又有壓敏電阻（圖2藍圈）。眾周所知，TVS響應時間比壓敏電阻相應時間塊，TVS可以達到pS級，而壓敏響應時間只有nS級別。會不會一個浪涌過來時，單板上TVS先動作，或者和壓敏同時動作。

于是在分別直流電源線地間壓敏電阻兩端和單板線地間TVS兩端采集浪涌波形。防止示波器被高壓打壞，只對直流電源口進行了2KV浪涌測試。測試波形如圖4。從圖4可以看出，直流電源上的壓敏電阻和單板上的TVS幾乎同時動作，共同分擔浪涌的能量。

圖3 ：直流電源模塊防護示意圖

圖4 ：浪涌波形圖（黃色為電源上壓敏兩端波形，紫紅色為單板上TVS兩端波形。）

五、問題總結

至此問題原因基本明朗：

1. 直流電源模塊的防護設計和單板-48V防護設計配合不合理，造成直流電源和單板共同承擔外界沖擊能量。

2．單板上TVS最大可以單獨承受1.5KV的浪涌。在設備進行轉產（1KV浪涌）和應用于環境良好的機房時，由于外界沖擊能量較小，即使TVS承受主要的沖擊，也在本身脈沖峰值功率以下，不會被擊穿短路。

3. 如果設備放在防雷條件差的遠端機房，則可能感應能量大的雷擊浪涌，這種浪涌能量分擔到直流電源和單板上，當分擔到單板上的能量超過TVS承受能量時，則造成TVS短路。

注：在測試中出現過一次線地2KV時，造成一塊單板TVS擊穿短路，以后再也沒有復現，以后基本都是6KV時造成單板TVS擊穿短路。

原因可能存在兩點：

直流電源模塊防護器件沒來得及動作，能量全部到單板TVS上。（單板上TVS最大可以承受1.5KV的浪涌。）直流電源和單板都動作了，但主控上的TVS因為個別質量問題，防護能量差，造成短路。

因為這種現象以后也未復現，最終原因只能是上面兩個之一。

單板去掉TVS后，對待大能量浪涌，不會造成短路情況，設備工作正常。

針對測試結果和分析結論，對待目前已經轉產發貨和正在研發的單板分別給出以下措施：

1.既有的轉產發貨的批量產品，在不改變PCB情況下，去掉單板上TVS。

2.對于正在改版和研發中的單板電源部分方案已經結合具體直流電源模塊防護設計情況統一給出。單板新防護設計見圖5。

圖5 ：單板電源區域新防護示意圖

審核編輯：黃飛