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? ?TVS管在手機防浪涌設計中的應用分析
一、行業現狀分析：
? ?? ???在電子設備高度發展的今天，手機的可靠性越來越受到重視，特別是出口非洲和東南亞的手機，由于天氣和電網穩定性的影響，浪涌問題日益凸顯。所以，手機增加TVS防浪涌已經成為主流。特別是品牌手機，全部要求增加很高的防浪涌標準。
? ?? ???目前手機行業主要以3G和4G為主，其中，中低端手機以MTK和展訊為主要平臺。這兩款手機平臺在4G方案上一般采用主板GND通過充電電流采樣電阻接電池負極完成電路（3G不一樣），采樣電阻通常為10mR或者20mR。
? ?? ???大多數4G手機電路設計防浪涌的時候，電池端TVS管的電路設計不合理，造成TVS鉗位電壓過高，加到后端的殘壓過高而損壞后端電路。在整改過程中就有可能要增加更多的TVS做保護，甚至還要更換其他元件來配合，無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計的一些問題和解決方案。
二、主要問題：
電路設計中主要存在以下兩個問題：
1、電路走線不合理：
? ?? ? 隨著Layout工程師水平的提高和對防浪涌的重視，走線不合理的情況越來越少見，但也還是可以碰到。
2、TVS的電路設計不合理：
? ?? ? TVS的電路設計不合理就比較普遍存在了，基本行業內MTK和展訊4G的方案都存在，這種設計不合理USB和電池端都存在，電池端更普遍。可能產生這個問題的原因是對TVS工作方式理解不夠，或者重視程度不夠。不重視可能是因為有些機型測試浪涌也是能過的，或者說能不能過浪涌是做浪涌器件的廠家該考慮的問題，主板設計可以考慮少點。這個問題我們重點討論。
? ?? ? 需要強調的是，這里說的TVS的電路設計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如下圖：
分析：浪涌電壓進入電路后，電源總線在沒有經過TVS之前就產生分支，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，這種情況應該避免。
合理的走線如下圖：
分析：浪涌電壓進入電路后，浪涌能量先經過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，這是合理的走線。
2、TVS電路設計不合理主要體現如下圖：
分析：TVS放置于電源輸入總線和主板GND之間，再通過采樣電阻接到輸出總線。這樣浪涌能量就是從電源總線進來，先經過TVS，再經過采樣電阻流出電路。
舉例說明這樣電路的不合理之處：
? ?? ???假如浪涌發生器產生300V的浪涌電壓，即會產生150A左右的浪涌電流I，I經過TVS產生一個鉗位電壓V1，然后I再流經采樣電阻，產生一個壓降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。這個采樣電阻實實在在的就給后端電路增加了3V的殘壓，對一些器件可能沒影響，但是對一些抗壓比較差的器件產生很大問題。
? ?? ???我們碰到有客戶想降成本，選用一些價格便宜一點的PA或者PMU，但是因為浪涌測試的問題擱置。要整改浪涌問題可能就要增加TVS器件，還有可能要改板，改板的話生產治具也要改。總的來說，不管是增加浪涌器件還是改板，都是會提高成本的。這3V就是壓垮駱駝的最后一根稻草。
? ?? ???還有一點就是TVS放置的位置盡量靠近端口，讓浪涌電流進入電路之后能盡快流出去，減小大電流對主板的影響。
合理的TVS電路設計如下圖：
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來，經過TVS，馬上流出電路，大電流不經過后端電路和采樣電阻。
同樣的舉例條件下說明電路的合理之處：
? ?? ???假如浪涌發生器產生300V的浪涌電壓，即會產生150A左右的浪涌電流，電流經過TVS產生一個鉗位電壓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，明顯這個殘壓會低很多。
? ?? ???在浪涌測試要求比較高的情況下，比如需要過450V的浪涌標準，則浪涌電流在250A左右。如果250A流經采樣電阻，功率不夠的采樣電阻馬上就會被打爆，機器也損壞。以一個0805的20mR的采樣電阻為例，常規功率是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。常規電阻價格6分錢，反正肯定不用1毛，而高功率電阻的價格要2毛多。一個電阻就差1毛多，如果設計合理就能省下1毛多，降成本就能可以從這里開始，再算算TVS數量、再看看便宜的PA、PMU，都是錢啊，呵呵。
四、實際案例：
TVS電路設計不合理如下圖：
合理的TVS電路設計如下圖：
TVS電路設計不合理波形圖如下：
一、行業現狀分析：
? ?? ???在電子設備高度發展的今天，手機的可靠性越來越受到重視，特別是出口非洲和東南亞的手機，由于天氣和電網穩定性的影響，浪涌問題日益凸顯。所以，手機增加TVS防浪涌已經成為主流。特別是品牌手機，全部要求增加很高的防浪涌標準。
? ?? ???目前手機行業主要以3G和4G為主，其中，中低端手機以MTK和展訊為主要平臺。這兩款手機平臺在4G方案上一般采用主板GND通過充電電流采樣電阻接電池負極完成電路（3G不一樣），采樣電阻通常為10mR或者20mR。
? ?? ???大多數4G手機電路設計防浪涌的時候，電池端TVS管的電路設計不合理，造成TVS鉗位電壓過高，加到后端的殘壓過高而損壞后端電路。在整改過程中就有可能要增加更多的TVS做保護，甚至還要更換其他元件來配合，無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計的一些問題和解決方案。
二、主要問題：
電路設計中主要存在以下兩個問題：
1、電路走線不合理：
? ?? ? 隨著Layout工程師水平的提高和對防浪涌的重視，走線不合理的情況越來越少見，但也還是可以碰到。
2、TVS的電路設計不合理：
? ?? ? TVS的電路設計不合理就比較普遍存在了，基本行業內MTK和展訊4G的方案都存在，這種設計不合理USB和電池端都存在，電池端更普遍。可能產生這個問題的原因是對TVS工作方式理解不夠，或者重視程度不夠。不重視可能是因為有些機型測試浪涌也是能過的，或者說能不能過浪涌是做浪涌器件的廠家該考慮的問題，主板設計可以考慮少點。這個問題我們重點討論。
? ?? ? 需要強調的是，這里說的TVS的電路設計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如下圖：
分析：浪涌電壓進入電路后，電源總線在沒有經過TVS之前就產生分支，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，這種情況應該避免。
合理的走線如下圖：
分析：浪涌電壓進入電路后，浪涌能量先經過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，這是合理的走線。
2、TVS電路設計不合理主要體現如下圖：
分析：TVS放置于電源輸入總線和主板GND之間，再通過采樣電阻接到輸出總線。這樣浪涌能量就是從電源總線進來，先經過TVS，再經過采樣電阻流出電路。
舉例說明這樣電路的不合理之處：
? ?? ???假如浪涌發生器產生300V的浪涌電壓，即會產生150A左右的浪涌電流I，I經過TVS產生一個鉗位電壓V1，然后I再流經采樣電阻，產生一個壓降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。這個采樣電阻實實在在的就給后端電路增加了3V的殘壓，對一些器件可能沒影響，但是對一些抗壓比較差的器件產生很大問題。
? ?? ???我們碰到有客戶想降成本，選用一些價格便宜一點的PA或者PMU，但是因為浪涌測試的問題擱置。要整改浪涌問題可能就要增加TVS器件，還有可能要改板，改板的話生產治具也要改。總的來說，不管是增加浪涌器件還是改板，都是會提高成本的。這3V就是壓垮駱駝的最后一根稻草。
? ?? ???還有一點就是TVS放置的位置盡量靠近端口，讓浪涌電流進入電路之后能盡快流出去，減小大電流對主板的影響。
合理的TVS電路設計如下圖：
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來，經過TVS，馬上流出電路，大電流不經過后端電路和采樣電阻。
同樣的舉例條件下說明電路的合理之處：
? ?? ???假如浪涌發生器產生300V的浪涌電壓，即會產生150A左右的浪涌電流，電流經過TVS產生一個鉗位電壓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，明顯這個殘壓會低很多。
? ?? ???在浪涌測試要求比較高的情況下，比如需要過450V的浪涌標準，則浪涌電流在250A左右。如果250A流經采樣電阻，功率不夠的采樣電阻馬上就會被打爆，機器也損壞。以一個0805的20mR的采樣電阻為例，常規功率是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。常規電阻價格6分錢，反正肯定不用1毛，而高功率電阻的價格要2毛多。一個電阻就差1毛多，如果設計合理就能省下1毛多，降成本就能可以從這里開始，再算算TVS數量、再看看便宜的PA、PMU，都是錢啊，呵呵。
四、實際案例：
TVS電路設計不合理如下圖：
合理的TVS電路設計如下圖：
TVS電路設計不合理波形圖如下：
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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電路設計合理波形圖如下：
浪涌電壓：200V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?浪涌電壓：250V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?浪涌電壓：300V
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Ipp：106A? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???Ipp：132A? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???Ipp：160A
TVS電路設計合理波形圖如下：
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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
實際案例中，TVS電路設計不合理的情況下，使用多顆TVS管做保護，但是鉗位電壓依然很高，此款PCBA打到300V就不能再往上打了，否則主板會損壞。TVS電路設計合理的情況下，只使用1顆TVS做保護，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：
? ?? ? 手機防浪涌要在電路設計之初就要重視，為以后的調試和其他工作做好準備。首先防浪涌器件的電路設計就要正確，然后浪涌器件的布局要注意，最后電源自動測試的走線也需要考慮，把一些細節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。
浪涌電壓：200V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?浪涌電壓：300V? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?浪涌電壓：400V? ?? ?? ?? ?? ?? ???浪涌電壓：450V
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實際案例中，TVS電路設計不合理的情況下，使用多顆TVS管做保護，但是鉗位電壓依然很高，此款PCBA打到300V就不能再往上打了，否則主板會損壞。TVS電路設計合理的情況下，只使用1顆TVS做保護，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：
? ?? ? 手機防浪涌要在電路設計之初就要重視，為以后的調試和其他工作做好準備。首先防浪涌器件的電路設計就要正確，然后浪涌器件的布局要注意，最后電源自動測試的走線也需要考慮，把一些細節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。
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