インパルスノイズ試験で放電

質問

DC２４Vで動作する装置があり、これに対してインパルスノイズ試験を行いました。

パルス幅：1uS
モード：コモン（24Vに注入）
極性：＋
印加間隔：約14mS

＜Q1＞
結果、1.8KVを過ぎたあたりで装置内部から「バチッ」という音がして覗いたところ、電源回路あたりで5mm以上の青白い放電が見られました。
その後、装置と試験機の電源を落として装置に触ったところ、静電気で打たれたように感電してしまいました。

そこで質問なのですが、インパルスノイズ試験で静電気が溜まるということはあるのでしょうか？
経験上、インパルスノイズ試験で放電を見たのは初めてで、また、かなり条件が悪くないと2KV程度では放電は目視できないと考えていたので不思議でなりません。

＜Q2＞
上記の放電状態のまま電圧を2KVまで上げたところ、装置内部の基板上に20cmくらいのRS422ライン（120Ω終端）があるのですが、このRS422ドライバから発煙がありました。
装置内部の電源は外の24Vとは絶縁されているはずなのですが、装置の内部から発煙してしまいました。
原因が分からず困っております。考えられる原因は何でしょうか？

以上、よろしくお願いいたします。

回答No.4

KEN_2

原因不明でも『全く再現しなくなりました。』とのことで、まずは良かったですね。

もう一点だけ補足しておきます。

>なお、ご指摘の電源の金属のシャーシは浮いておりました。
>メーカーに問い合わせたところ、特にどこにも接続しなくてよいという回答でしたが、他のEMIとか電磁界強度とかの試験の状況を見ながら検討したいと思います。

メーカーのアプリケーションノートでは、電源の金属のシャーシはAC3KVのコンデンサで入力の（－）端子側に接続するように記載があります。
これは内部回路のシールドを兼ねた記載で、浮いた状態ですと静電耐圧・EMI対策的にも問題があり定石の処理となります。
メーカー資料を読めば記載事項があります。

回答No.3

KEN_2

ANo.1,2 です。
お礼と追加情報ありがとうございます。

ちょっと気になったのですが、
>装置が３種類ございます。
>基本的にDC24Vから絶縁型DCDCコンバータ(TDKラムダ製 CCxx-24xx)で内部の回路に給電しています。
使用されているのは下記のタイプで金属カバー付きでしょうか？
CCシリーズ
http://www.tdk-lambda.co.jp/products/sps/catalog/tdk/dc-dc/cc_p_e.pdf
これで無くとも金属ケース・ボデイは基盤のGND（信号回路の）に確実に接続されていますよね？
それから、周囲の金属パーツ・シャーシ類は、全てFGに接続されて浮いている金属はありませんよね？
見た目は接続されていても電気的に浮いているとアンテナや誘導板になり、帯電して放電する場合があります。
ご参考に・・・

その他の情報は頭の中を整理して、昔EMC対策でなん通りか効果のあった事項を思い出してみます。

お礼

結論というか、これだという原因が分からないのですが質問していた２つの現象、激しいスパークと発煙が全く再現しなくなりました。
試験対象以外の装置のFG線を短くしたりとか、使っている信号ケーブルを短くしたりとか、太くしたりとか、回路以外のところで行った細かい対策の何かが効いたようです。

なお、ご指摘の電源の金属のシャーシは浮いておりました。
メーカーに問い合わせたところ、特にどこにも接続しなくてよいという回答でしたが、他のEMIとか電磁界強度とかの試験の状況を見ながら検討したいと思います。

原因が分かっていないので解決とは言い難いですが、とりあえず一度保留状態とさせてください。
他のEMC試験でも同じような現象になることも考えられますので、何か対策事例とうございましたらまたご回答いただけると幸いです。

丁寧にご回答いただきありがとうございます。

回答No.2

KEN_2

ANo.1 です。
＞DC２４Vの入力からDCDCコンバータまでの間に1uFのXコンデンサと5mHのコモンモードコイル、3000pFのYコンデンサをつけてみたのですが、やはりこのあたりから5mm以上離れたFG筐体に放電しているのが見えます。
回路構成がおぼろげに見えてきました。
DC24V-DC5Vの30W～100W程度の、絶縁型DCDCコンバータを使っておられるのでしょうか？
DCDCコンバータは当然ヒートシンクに取り付けて、フレームのFGに固定されていると考えられます。
であれば、DCDCコンバータとヒートシンクとの間に静電気が溜まるのはあります。
2KVのインパルスをコモン（24Vに注入）印加であれば、下記の様に入出力に3KVACのコンデンサのC4,C5とC6,C7で帯電を吸収し、2KV程度の耐電圧はクリアしています。

TDK ラムダ P11の図19-4　外付け部品例
http://www.tdk-lambda.co.jp/products/sps/ps_pm/cn_a/pdf/cn_a110_ins_j.pdf

＜Q2について＞
『RS422ドライバから発煙』は、DCDCコンバータ周辺でスパークが発生すると5V系のICはほぼ昇天してしまい、発煙することはあります。

申し訳ありませんが、XコンデンサとYコンデンサの意味が不明です。
＊もう少し使用している部品の接続系統を記載されませんか？
　推測状況での回答ですので、あとは質問者様が検討されるか、情報を開示ください。

お礼

ご回答ありがとうございます。

＜Q1について＞
装置が３種類ございます。
基本的にDC24Vから絶縁型DCDCコンバータ(TDKラムダ製 CCxx-24xx)で内部の回路に給電しています。DCDCコンバータの入力には
1.サージアブソーバ（＋－間、＋FG間、－FG間の３つ）
2.＋ラインにヒューズ
3.＋－間にダイオード（逆接続するとヒューズが切れるように）
4.フィルタ（村田製作所製BNZ002-1）
5.コンデンサ(1uF+0.1uF)
を接続しています。

装置１には基板の面積に余裕があったため、Xコンデンサ、（BNX002-01の代わりに）コモンモードフィルタ 、Yコンデンサを追加しました。
今週なんとかこのあたりの回路を調整して試験を合格できました。ありがとうございます。
※Xコンデンサはコモンモードフィルタの前後に実装する＋－間のコンデンサです。
※Yコンデンサは上記でご回答いただいたC4,C5がそれにあたります。＋とFG間、－とFG間に挿入するコンデンサです。

なんとか装置１は目途がついたので、これから装置２と３で発生するスパークについて対策しようとしております。

そもそもなぜかスパークが発生してしまう原因がわかりません。。。
どうも現象からすると、あくまで予想ですが、電源ラインノイズをかけていると１次側と２次側の電位差がどんどん大きくなり、耐えられなくなるとバチンとスパークしてしまうのではないかと思っています。

＜Q2について＞
発煙したのは装置３です。
装置１は別機種なので他の装置と接続していませんが、装置２と３は絶縁されたRS485で接続されています。電源ラインノイズは装置２と装置３に同時に印加しました。

装置３はバックボードにCPUボードと何種類かのサブボードを接続できるようになっています。
CPUボードとサブボード間がバックボード上のRS422ラインで接続されています。
今回、サブボードがないCPUボードだけの状態でRS422のドライバICが発煙しました。
RS422ドライバは２次側の3.3V電源で動いていました。

3.3V電源に過大なノイズが乗った場合、そのほかもっと弱そうなICがいっぱいあるのでそちらも壊れると思うのですがそうならなかったことから、バックボード側の浮いてしまっているRS422信号に誘導ノイズが発生したのかな、、と（よく知りもしませんが）考えてます。

以上、お礼とご報告まで。

回答No.1

KEN_2

＜Q1＞
通常の明るさの環境であれば1KV程度の放電でも、1mm程度の沿面距離で青白い放電が観測されます。
SW接点やリレーの接点でも遮光して観測すると、数十Vでも放電を観測されます。

＞そこで質問なのですが、インパルスノイズ試験で静電気が溜まるということはあるのでしょうか？
回路構成でFG間に浮遊容量や、信号接続方法によっては前後の回路で結合して回り込み放電して、結果帯電状態になる場合があります。
通常は1KV/mmが放電距離ですので、5mm以上の沿面距離であれば5KV以上の耐電圧特性があるので基盤の汚染や形状の問題があると考えられます。
＊帯電気の放電は、FGと回路のGNDの間に数十KΩから1MΩの抵抗を挿入するのが定石となります。

＜Q2＞
＞上記の放電状態のまま電圧を2KVまで上げたところ、装置内部の基板上に20cmくらいのRS422ライン（120Ω終端）があるのですが、このRS422ドライバから発煙がありました。

インターフエースで「RS422ドライバ」をお使いですので、相手の機器と電源回路を経由してスネークパスが形成されて、RS422ラインに回り込んだと考えられます。
装置の接続系統が読み取れませんが、考えられることは、
１．電源回路のインパルスノイズ試験耐圧を接続系統を含めて検討ください。
２．内部の基板のGND放電抵抗挿入を考慮ください。
３．RS422ラインは雷サージ耐圧の検討も必要です。

参考に電源メーカーのテクニカルデータは役にたちます。
13ページ　6ノイズ　d.伝導による伝達　など参照
http://www.cosel.co.jp/jp/data/pdf/technotes.pdf#page=18&view=fitH,300

お礼

ご回答ありがとうございます。

＜Q1について＞
DC２４Vの入力からDCDCコンバータまでの間に1uFのXコンデンサと5mHのコモンモードコイル、3000pFのYコンデンサをつけてみたのですが、やはりこのあたりから5mm以上離れたFG筐体に放電しているのが見えます。
バチーンという大きな音で放電しているので１０KV以上はあるだろうなと思っています。

「前後の回路で結合して回り込み放電して、結果帯電状態になる」ということですが、具体的にはどんな場合かご存知でしたらご教示いただけないでしょうか。

なお、放電抵抗ですが、FGとグランド間は絶縁状態にする必要があるため追加することができません。。。。

＜Q2について＞
Q1のトラブルの対処でまだこちらの検討ができていません。
とりあえず状況を正確に書きますと、RS422は相手側の機器を接続しておらず、またホスト側もドライブしていないので送受信ともHigh-Z状態でした。

以上、お礼と現状のご報告まで。