使用直流供电的产品，在输入电源端口处是最容易出问题的，本文就针对案例进行探讨。

一、 摘要

使用直流供电的产品，在输入电源端口处是最容易出问题的，本文就针对案例进行探讨。

二、 问题描述

我们的产品用在工业现场，用于陶瓷行业的控制器数据采集，我们的产品使用直流24V供电，客户也将该24V直流电给交流接触器控制用电，一共有42个接触器。接近一千台设备运行3个月后，基本上每个月都会返回几台损坏的设备，主要表现就是产品上电电源指示灯不亮。

经过研发拆机分析，主要是由于端口防护的TVS和后级的电源芯片短路了，但是外观没有明显的烧毁痕迹。

三、 原因分析

由于损坏的两个器件并没有烧毁的痕迹，说明不是因为过流导致的热损坏，而是过压导致的击穿，由于现在的大部门电源芯片都是采用的mos工艺，mos工艺的主要特点是对电压敏感，因此我们主要怀疑的方向是电压过压。经过现场工程师的示波器测试，现场捕捉到非常高的浪涌干扰。在电源端口处最高可以测试到DC57V、60MHZ左右的脉冲干扰。断开接触器后，该干扰消失，说明是有与接触器导致的干扰。

现场的一个直流电源带42个接触器，接触器的动作频率为10S一次，而我们选择的端口处的TVS钳位电压为40V，电源芯片的最高耐压为30V，长期处于超规格电压使用，时间长了就会导致TVS和电源芯片损坏。

四、 解决方案

针对图1原理图中，我们总结出设计的以下几个缺陷：

(1) 、在端口处放置的TVS太小，只有600W，如果要在端口处能够抵抗比较高能量的冲击，至少要1500W以上；

(2) 在DC电源输入的端口处放置磁珠，由于磁珠吸收高频干扰的方式主要是提高阻抗，将干扰转化为热量消耗，如果连续的高频干扰，让磁珠长期处于发热状态，磁珠很容易就烧毁。

(3) 后级的电源芯片耐压太小，只有28V，使用24V的直流电源很容易超标。

经过内部的专家讨论，以及咨询相关的器件供应商，我们给出了图3中的解决方案。

第一级为滤波方案，由图B组成，其中C5、C7使用C1812/1nF/2kV的陶瓷电容组成，选用这么大封装主要是由于做涌浪测试时，由于电容并非理想电容，内部有ESR，高压下电容会发热，因此需要较大封装的电容提高流通能力，C6为差模滤波，主要的流通途径有压敏电阻R1以及后级的电解电容等，因此封装C0805，耐压100V即可。

第二级为防护方案，由图A组成，自恢复保险和压敏电阻的流通能力要相当，否则，当保险比压敏流通能力大很多时，有可能出现压敏已经开始严重发热，有可能短路起火，但是保险还没有断开，将会导致起火事故。当压敏比保险流通能力大很多时，正常的干扰脉冲，有可能导致保险断开，电路无法工作。压敏这个位置替代TVS的主要目的是由于相同封装大小的器件，压敏的流通能力比TVS大很多倍，性价比十分突出。

第三级为滤波方案，如图C所示，主要由电容和共模电感组成，由于压敏电阻的响应时间较慢（相对于TVS），为us级别，而后级的TVS响应时间为nS级别，并且前端的压敏主要缺点是防护不精准，有残压，因此需要共模电感阻尼效应，将高频尖峰脉冲削平，然后通过电解电容以及陶瓷电容的泄放通道泄放到负极。

第四级为防护方案，如图D所示，由于前端的压敏响应时间较慢，以及有残压残留，因此该处需要增加TVS进行最后的防护，防止还有过高频率的脉冲进入后级电路，该处TVS使用600W即可。

第五级为滤波方案，如图E，滤波放置于TVS后级，为后级的电源芯片提供最后的滤波已经储能应用。

五、 总结

电源端口过压防护的三剑客：TVS、压敏电阻、气体放电管，其相关的总结如下：

1、相关概念

TVS管：瞬态二极管（Transient Voltage Suppressor）简称TVS，是一种二极管形式的高效能保护器件。

压敏电阻：一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。

气体放电管：气体放电管指作过电压保护用的避雷管或天线开关管一类，管内有二个或多个电极，充有一定量的惰性气体。气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它用在通信系统的防雷保护。

2、反应时间

TVS管>压敏电阻>气体放电管

TVS管为nS级，压敏电阻为us级，气体放电管通常为几十us甚至更多。

3、通流能力

气体放电管>压敏电阻>TVS管

TVS管通常只有几百A，压敏电阻按不同规格可通过数KA到数十KA的单次8/20uS浪涌电流，气体放电管来说通常十KA级别8/20uS浪涌电流可导通数百次。

4、放电原理

TVS管基于二极管雪崩效应，压敏电阻器基于氧化锌晶粒间的势垒作用，而气体放电管则是基于气体击穿放电。

5、承压能力

TVS管通常为5.5V到550V，压敏电阻从10V到9000V，气体放电管从75V到3500V。