【成功案例】使用高导通电流气体放电管SL1411A600替换TVS成功解决ADSL通信接口EMC问题

今天和大伙分享一个有意思的案例，一个活生生的EMC案例。

为了大家对笔者描述的问题有直观的了解，在这先描述一下问题的背景。笔者参与的是一个集成项目，提供的设备是一个留有标准网口的设备（大家伙）但是客户比较特殊，他们铺设到安装点的走线只有电话线，提供ADSL联网（原因不详）。为此我们需要增加一个具有ADSL的MODEM并进行相应的配置，以便设备可以连入网络。自从联调开始后，不定期烧坏了2个MODEM。一开始用的是某link的家用MODEM没用两天就坏了，以为是MODEM不靠谱，换了一个品牌的工业MODEM，但是也没用几天就坏了。因为时值用户现场正在全面施工，各种电钻，电动破碎锤什么（作为乙方扯皮甩锅有时候也是不得已），于是我们就说人家的线路有问题。但是这会儿遇到“专家”了，对方的对接人员说他们的接线是由室外引入，而且长度超百米，要求我们的通信口浪涌过等级4和脉冲群过等级4，并要求我们提供测试报告。先抛开客户的要求合不合理（后面经测试人员反馈，行业内确实有这种要求），从现场的使用情况来看，我们的服务确实没有很好地实现客户的利益。于是决定将问题带回实验室，在实验室搭建相似的环境，并进行浪涌等级4和脉冲群等级4的测试。试验证明确实会发生MODEM的损坏，问题定位在MODEM的EMC抗干扰能力上。至于问题的解决过程是个漫长的试验摸索过程，具体下文说明。对于遇到类似问题，急着看结果的同志，在这先看结论，再慢慢看下面的故事，结论就是，手动将“所谓”工业级的交换机的第一级防护管（买的型号都只有一级，目测是TVS）换成气体放电管，这次替换使用的管子是littlefuse的SL1411A600，一款具有600V低钳位电压和12KA高导通电流气体放电管，并将防护由一级变成两级。

EMC问题净是些棘手的问题，这是同行一直公认的观点。针对这种观点，笔者也思考了一下原因，个人认为主要原因有二：

1、EMC问题不常遇到，不容易积累直观经验。这么说可能很多同行要吐槽笔者见识少了。换种说法可能会贴切一些，在整个设计生涯中，遇到EMC问题的比例（分母是所有的设计问题）比较小。笔者从事硬件设计工作也有10年了，平时循规蹈矩，遵守各种设计规范，好比华为的防护电路设计规范（硬件设计大家都向华为看齐，这公司规范都快变成行业规范了），很多时候还有堆料的嫌疑（也就是设计的时候为了起到防护作用，加各种防护元器件，而且许多时候还动不动就加两级，但是对防护器件起到的作用如何却思考得不多），或许是因为这样，笔者的设计通常都能轻松通过公司的EMC测试。

2、一旦遇到EMC问题就很难解决。因为设计的时候已经尽可能地堆料扼制预期的EMC问题了，但是仍旧出现EMC问题的话就会显得“黔驴技穷”，对如何处理问题毫无头绪。

不过这次笔者遇到的问题棘手的原因，不出在以上两点。因为条件所限，客户无法提供网标准的网络走线而需要增加一个外购的MODEM。外购的成品规格无法满足要求，又不能将200块的“所谓的工业级”MODEM升级为2000块的“真的工业级”MODEM。更不能自己为此而新设计一款MODEM，这个不显示。更要命的是，机柜一开始设计的时候就只考虑了预选MODEM的固定方式，空间有限，能想到的解决办法就是给MODEM动一下手脚，或者增加一个外接的小模块什么的。考虑到美观，这次优先考虑了改装MODEM。

接下来就记录一下整个调试过程，并整理一下解决相似的EMC问题的思路。

客户一开口就“浪涌等级4”和“脉冲群等级4”，我们先了解一下什么是“浪涌等级4”和“脉冲群等级4”，做硬件测试的同志应该比较清楚，但是做硬件设计的同志可能没有太上心。

脉冲群测试参考国标GB/T 17626.4，如下：

表1 脉冲群试验等级

因为这次是ADSL通信接口，所以按照表格中的“信号、数据和控制端口”标准进行的测试（不过过程中关于这个问题也扯皮过一次，ADSL接口是具有一定供电能力的，好比直接接电话机，不过MODEM是独立供电的，不在此例）。脉冲群能量比较小，只有一级防护的“所谓的工业级”MODEM也能通过该测试。

浪涌测试参考国标GB/T 17626.5，如下：

表2 浪涌试验等级

原来等级4是要加4kV的干扰电压信号在ADSL的线缆上，通常家用电器只需要过等级2即可。然后波形还有两种，这次用的是1.2/50us的波形，具体如下：

表3 1.2/50us波形参数的规定

图1 1.2/50us波形参数的规定

上图中的纵轴是百分比，对于组合波信号发生器（浪涌测试仪器）来说，上面的波形等级4分别对应的是4kV和2kA。这里涉及两个概念“开路电压”和“短路电流”，它们和防护管的两个参数有直接关系，对于选择规格至关重要。开路电压对应impulse breakdown voltage，短路电流对应impulse discharge current，这两个参数请参考表4中littlefuse的气体放电管规格表。举例说明开路电压，假设我们要过等级1，也就是加0.5kV干扰，如果此时我们使用的是SL1411A600，干扰电压低于impulse breakdown voltage，那么干扰信号可能在冲击期间无法激活防护管，那么防护管就无法起到应有的防护效果了。举例说明短路电流，如果我们要过等级4，也就是加2kA干扰，这些干扰会通过气体发电管放电管泄放，如果气体放电管的impulse discharge current小于2kA，那么这些多出来的干扰电流就会流到下一级防护，如果下一级没有防护，那么就会直接加载工作电路上。而且过载的电流对气体放电管也会产生额外的压力，导致其提前损坏。参考表4中littlefuse的气体放电管SL1411A在面对8/20us波形的时候impulse discharge current可以达到12kA。

表4 littlefuse的气体放电管规格列表

考验我们的是什么，或者说我们要克服的是什么，已经弄清楚了，接下里我们就要了解一下我们要改造的是什么，拆开来MODEM发现不同品牌的ADSL接口都差不多，网上还有开源的原理图，参考如下：

图2 MODEM电路图

基本电路结构如右图，RJ11接口进，然后加一级防护，如图2所示，这级防护由RB1，RB2和RV1构成，然后就是隔离器，最终信号去到IC那儿。“所谓的工业级”MODEM会有焊接器件，家用MODEM根本就没有这一级，难怪有时候雷暴雨天气之后就上不了网了。

改造由最简单的方式开始，我们先加大了RB1和RB2位置PTC的阻值，由原来的跳线也就是0欧姆，改为10欧姆。加等级4干扰，起初没出现硬件损坏，但是不加干扰的时候通信是丢包严重。

接着将PTC的值改为2欧姆，不加干扰的时候通信正常，但加干扰后，没多久MODEM损坏（只能换新的继续测试，硬件毁坏性测试就是烧钱！），不过抗干扰脉冲的次数比之前0欧姆的时候增加了不少，暂时确定将PTC的值改为2欧姆是有一定作用的。

再将第一级的TVS改成GDT（外购的MODEM第一级防护用的是TVS，在这还需要提一下TVS和GDT的区别，TVS的响应速度比GDT快，但是GDT的导通电流比TVS大许多），规格用的是我们功放输出口上用的一款，具体规格忘了，效果明显，加干扰后好一段时间没有出现问题，以为到此就可以结束了，但是后来将新改造的样机提交测试部测试的时候，发现还是失败，结论是没能够抗住整个测试过程，最后GDT用万用表测量是直通的。

经过上一轮测试，觉得应该是GDT规格问题，于是确定尝试使用更高规格的GDT，为测试留有足够的余量。于是到littlefuse官网上找比目前使用规格更高等级的GDT，目前的网站很方便，直接选择GDT产品，然后确定参数是中高端，以及干扰波形的类型是8/20us，网站会自动推荐型号，根据型号下载规格书，确定参数可以尝试。目前选择的型号是SL1411A600，它具有600V的防护电压和12kA的防护电流。替换后再次提交测试，这次测试通过。

图3 网站选型

找到方向并通过测试，大家都很开心，并决心做得更好，想着让MODEM在加干扰的情况下也尽量少丢包，于是又在PTC后增加了两级防护，于是拓扑就变成了图4的样子，具体如下，在隔离器的输入输出都增加一级TVS防护。其中G1位置就是SL1411A600。

图4 增加两级防护

以上就是解决这个EMC问题的全过程。虽然说起来没几段话，但是过程真的很费时费力，光是弄坏的MODEM就不下10个，而且幸好公司有自己的EMC测试实验室，要不然光是测试场地租金就好大一笔钱。因此，同行的小伙伴在设计的过程，或者和笔者一样在做集成工作的时候，如果遇到相似的问题，不妨踩着笔者的脚印前进，省去很多探索的成本。

再次总结一下，ADSL要过浪涌等级4测试的思路，第一级防护使用一个高规格大余量的GDT作为第一道防线（SL1411A600经检验可以胜任），然后经过PTC，PTC的阻值不能太大也不能太小（计算方式可以参考相关的防护电路设计规范），最后增加两级TVS防护。