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
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测试浪涌也是能过的，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：


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：

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：

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，但是因为浪涌测试的问题搁置。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：

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。
        在浪涌测试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：


合理的TVS电路设计如下图：


TVS电路设计不合理波形图如下：

             
浪涌电压：200V                     浪涌电压：250V                     浪涌电压：300V
Vc：12V                                Vc：13.6V                              Vc：14.8V
Ipp：106A                             Ipp：132A                             Ipp：160A
TVS电路设计合理波形图如下：

                    
浪涌电压：200V                     浪涌电压：300V                     浪涌电压：400V                    浪涌电压：450V
Vc：9.2V                                Vc：11.6V                              Vc：14V                               Vc：14.8V
Ipp：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，最后电源自动测试的走线也需要考虑，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。

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