保护您的电路

PCB设计是一个复杂的过程，它依赖于许多因素。工程师通常负责寻找成本效益高的解决方案，同时保持其最终产品的高可靠性。虽然为您的电路板增加一系列保护措施会增加您的单位成本，但它也可以大大降低野外故障率，这些故障率会带来自己的支持和更换成本。在许多情况下，额外的单位成本与支持和更换成本相比微不足道，因此将电路保护变成一个不可或缺的节省金钱的机制。

在本文中，我们将看看您可以添加到电路中的保护设备，这些设备不仅可以帮助使其更能容忍用户错误、电源质量差和意外事件，而且确保它更有可能通过合规性测试。我们将逐一讨论常见的安全问题，从电磁干扰开始。

电磁干扰 (EMI)

减少辐射电磁能量对于满足电磁兼容性合规性规定至关重要。此外，由于电磁干扰是双向的，设备需要设计成能够应对进入干扰的能力。对于大多数设备来说，输入和输出的保护电路将是相同的，所以通过合规性测试的内容很可能也会保护您不受损害产品信号完整性的能量的影响。

除了通常的电磁兼容性合规性要求外，您可能正在设计一个设备，它发现自己处于充满大电流流向电机或其他耗电设备的工业环境中，或者靠近一个强大的无线电设备。连接到您设备的电缆可能会从感应场中捡到显著的电压，这会使传感器读数不可靠，或通信困难。更糟糕的是，您的设备可能被插入到也为这些电气噪声设备供电的电源轨道中，允许电磁干扰直接通过电源连接进入您的电路。

铁氧体芯片

铁氧体珠或芯片（表面贴装）是您可以添加到电路板的最便宜和最简单的保护方法之一。这种朴素的铁氧体在其放置的位置抑制高频噪声，保护两侧免受另一侧产生的噪声的影响。任何连接到您设备的导电电缆都是天线，除非它有有效的屏蔽。这种电缆可以从环境中捡到噪声，并且还可以从您的电路中辐射噪声。

铁氧体芯片在您的电路中充当低通滤波器，对高频信号产生高阻抗。选择铁氧体芯片或珠时的一个关键规格是其在给定频率下的阻抗，最常见的测量频率是1MHz或100MHz。这个规格将以欧姆表示，因为铁氧体芯片将对指定频率的信号组件表现得像这个值的电阻器。

对于您的电路来说，另一个关键规格是直流电阻（DCR(MAX)），即铁氧体对直流信号的串联电阻。这个串联电阻很重要，因为它会对您的电路产生影响，如果您试图让大电流通过与铁氧体串联的导体，您可能会发现铁氧体变得相当热——因此电流额定规格在这种情况下很重要。

在低频和直流导体上应大量使用铁氧体珠/片，以减少辐射和接收到的噪声对电缆的影响。您还可以考虑在电路板上敏感元件的电源轨道上串联使用一个，例如在模拟电路中处理非常低电压信号的那些，其中电源轨道中的噪声可能会传输到信号中。

Pi滤波器

铁氧体片作为对交流信号的高电阻，而电感提供高阻抗。电感用于保护设备输入或输出的情况不如铁氧体珠常见，然而，如果与两个电容器配对，它们可以成为减少传导噪声的有力工具。Pi滤波器之所以得名，是因为它看起来像希腊字母π，顶部是电感，两腿是电容器。这创建了一个高效的低通滤波器，两个电容器作为去耦，而电感对信号提供高阻抗。

如果您的设备从可能噪声较大的源接收电源，或者其中有一个大型开关电源，那么在输入上的Pi滤波器可能会显著减少EMI问题。电感通常具有比铁氧体片更大的阻抗和电流处理能力，以及更低的串联电阻。如果您的导体有几安培的电流流过，或者遇到了大量的噪声，那么Pi滤波器可能会提供比铁氧体片更好的保护。

大多数表面贴装、线绕、铁氧体芯电感都有屏蔽版本。当您使用电感减少噪声时，屏蔽电感提供了额外的保护。

串联终端电阻

如果您有一个信号线的频率超过几百千赫兹，您可能会考虑在线路上添加一个50欧姆的终端电阻，以提供阻抗匹配并减少反射。在数字传输线上，来自未正确终止信号的反射可以创建逻辑级别的模糊，导致数据损坏。在模拟线路上，反射可能会导致信号中的功率损失和幽灵效应。

虽然这不太是一种保护方法，而是良好设计实践，但在这里提及它是值得的。

RF屏蔽

如果您正在设计一个射频产品、一个处理非常低电压传感器信号的电路，或者一个处于非常不利的电磁环境中的电路，大幅度减少电磁干扰的终极解决方案是将您的电路封闭在一个射频屏蔽罩内。射频屏蔽罩接地，防止任何电磁干扰穿透进入或从您电路的裸露导体和组件中逸出。此外，一个设计良好的、放置在PCB上的坚固接地面，可以防止噪声从底部逸出或进入。然而，噪声可以并且将会通过导体进入和退出被屏蔽的电路。其他措施，如铁氧体芯片，可以减轻传导噪声。

射频屏蔽罩可以购买到各种尺寸，并且即使是在100单位的低量产中，定制也相当具有成本效益。

如果您不确定您的电路板是否需要射频屏蔽罩，设计一个到PCB上而不安装它要比修改电路板并为其添加一个焊盘图案容易得多。这允许您在测试中证明不需要射频屏蔽罩时选择不使用它。

反向极性

与科幻电影中船长或工程师喊“反转极性”时的情景不同，通常在战斗或其他紧急情况下，现实世界中反转电源的极性更有可能释放出魔法烟雾，而不是产生一个力场。如果用户使用错误类型的电源线或输入连接器未极化，很容易反转设备的电源极性，这可能会烧毁电路中的每一个组件。

幸运的是，防止反向极性事件很容易。

输入二极管

添加反向极性保护的最简单方法是在正极导体上串联一个二极管。二极管只会向前导电，所以如果输入连接错误，不会有电流流动。

这种方法有一些主要的缺点，它们与二极管的正向压降有关。如果您为设备提供的电压正好是其正常工作所需的电压，二极管可能会降低电压到低于设备可靠工作的点。

如果您的设备消耗适量的电力，二极管在耗散功率时可能会过热，这个功率与电流的大小和正向压降成正比。如果您选择的二极管有足够的容量来处理这种加热，它可能会向电路板提供足够的热量，导致其他组件工作不可靠，或由于在封闭空间内增加的热耗散而减少设备的使用寿命。

如果您的设备是电池供电的，输入二极管会因为二极管增加的耗散而降低电池或充电的使用寿命。这将导致需要一个更大、更重、更昂贵的电池来提供相同的运行时间。

因此，输入二极管通常只适用于低电流设备，其工作电压低于输入电压。一个好的例子是由USB电缆供电、工作在3.3v或更低电压的基本微控制器电路。

桥式整流器

如果二极管的正向压降和相关的热量/效率损失对您的应用不是问题，您也可以通过在输入端使用桥式整流器来完全忽略极性。一个简单的桥式整流器将确保无论电源如何供应给设备，您总是有可靠的正负（或地）电压轨。

在非常低功率、超微型设备中，我使用了这种方法，用户会通过焊接线到电路板来自行供电。用户操作错误的几率很高，而桥式整流器的低效率对设备或特定应用的影响可以忽略不计。

MOSFET

与上述二极管相比，MOSFET具有非常低的导通电阻，可以为消耗数百安培的直流电路提供反向极性保护，或者为电池供电的电路非常高效地提供反向极性保护。由于导通电阻低，几乎不会对电路造成额外的热负担。

只要电路具有单一的正电压供应端（使用P沟道MOSFET）或单一的地返回路径（使用N沟道MOSFET），就可以使用MOSFET进行反向极性保护。如果连接的设备安排或替代电压输入会创建替代的供应或返回路径，这种方法将不适用。

N沟道MOSFET的RDS(ON)比同价位的P沟道低，这使得在适用的情况下，它是我首选的解决方案。然而，在需要时刻连接地返回路径的设备中，P沟道MOSFET与二极管相比仍然是一个非常高性能的解决方案。

为了增加MOSFET的反向电压保护，我们能够利用它们的几个特性。首先是体二极管，它允许从源极到漏极的导电，其次是一旦栅极充电，MOSFET可以在任何方向导电。

N沟道MOSFET

N沟道MOSFET安装在地返回路径上，在电源连接处，体二极管定向以在电路由正确极性供电时导电。然后将栅极连接到设备电源的正输入电压轨。当连接正确极性的电源时，体二极管完成电路，允许激活栅极并短路体二极管。

P沟道MOSFET

P沟道MOSFET的设置基本上是N沟道的反向。体二极管定向以从正电源导电到其余电路，栅极连接到地。当应用正确极性的电压时，栅极变低并充电MOSFET，这会短路体二极管，导致MOSFET正常导电，完成电路。

过电流

如果您的产品有可能在错误状态下消耗大量电流的电缆或设备（例如卡住的电机），过电流保护可能会救场。电缆可能会内部断裂，或可能会受到外力损坏，导致导体短路，对您的电路板产生高电流负载。这会迅速加热那些本不打算承受该负载的走线，导致它们失败，或过度负担电源或连接到这些导体的其他设备。

可复位保险丝

正温度系数（PTC）保险丝是一种保护装置，确保如果电流超过其额定值，您的电路将失去电源。在电流回落到正常水平后，保险丝开始再次导电。如果您的电流需求超过大约10安培，或您的电压超过大约60伏，那么可复位保险丝不适合您，您需要考虑玻璃或陶瓷保险丝等替代选项。这些保险丝为高电流设备提供了极好的保护，然而，像大多数保护措施一样，它们确实有一些缺点。

可复位保险丝是通过将导电颗粒紧密地绑定在塑料填充物中创建的。当保险丝处于正常温度时，有大量的导电材料构成了一个路径，使电流能够以适度的电阻通过设备。随着电流增加，保险丝加热导致塑料膨胀。因此，这种膨胀开始分离导电颗粒，增加了电阻，导致保险丝的加热速度呈指数级加快。保险丝达到一个点，只有少量的电流能够保持塑料足够热，以维持低导电性的稳定状态。

在我看来，这种稳定状态是保险丝的最大缺点。我在市场上能找到的表面贴装设备中最小的保持电流是10mA，对应室温下的21mA触发电流。这是一个相当狭窄的范围，一个在21mA时会触发它的设备可能会在10mA下继续以降级状态运行，这可能会造成损坏。在表面贴装PTC保险丝中，保持电流是触发电流的一半是相当常见的，所以您需要确保，如果您的设备在触发电流下会被损坏，那么它在半个触发电流下也不会被损坏。如果它在半个触发电流下可能会被损坏，它应该有另一种方法在检测到这种状态时自行关闭，以防止损坏。

玻璃/陶瓷保险丝

如果您的设备构建得使得达到电流阈值绝对意味着出了严重的问题，玻璃或陶瓷保险丝可能是一个不错的选择。快速熔断保险丝可以在超过额定电流的几毫秒内失败，而慢速熔断保险丝可以允许您在需要时暂时超过电流限制，例如为了涌入电流。

不可复位保险丝是一个相当最终的解决方案，然而，它们只能保护超过保险丝额定电流的情况。就在一周前，我看到了一个来自非常高端品牌的实验室电源电路板，尽管保险丝完好无损，但电路板在几个地方严重烧焦。一个MOSFET在板上失败了，不管出于什么原因，这个故障对其余的H桥MOSFET施加了过多的负载，看起来它们似乎在快速、猛烈的连锁反应中失败了。然而，当每个单独的MOSFET在低于保险丝额定负载的情况下失败时，该设备的保险丝却没有起作用。

如果你计划使用保险丝，你可以购买不可由用户维修的表面贴装保险丝，或者你可以购买可由用户维修的现成保险丝的座。通常，我更倾向于使保险丝不可由用户维修，因为它迫使客户/顾客将电路板退回给你，这允许你调查保险丝首次熔断的原因。它让你弄清楚导致保险丝熔断的当前条件是由于组件降级，还是相反，电流吸引本身导致了组件降级。简单地更换保险丝并重新开启设备可能会导致保险丝立即再次熔断，或者更糟，降级的组件可能在保险丝阈值以下失败，对你的设备造成更重大的损害。有些人讨厌必须由供应商维修的保险丝，但如果他们能够调查保险丝故障的原因，这可能会防止供应商需要更换价值数百美元的电路板。

静电放电（ESD）

如果你住在一个低海拔、高湿度的地区，那么ESD可能不是你设计过程中容易考虑到的因素。如果你访问一个高海拔或低湿度的城市，比如丹佛或卡尔加里，你会发现自己用手指尖的闪电震惊周围的每个人和每件事。仅仅因为你生活在一个很好的环境中，成千上万伏的电压不会在你的皮肤上积累以便在第一次有机会时放电，并不意味着你的产品不会最终到达那里。用户无意中触摸，他们在地毯上行走或脱下给他们带来巨大静电的夹克，你的设备可能会被摧毁或严重损坏。

提供优秀的ESD保护是一个相当大的话题，所以这篇文章将只是快速覆盖选项，另一篇深入讨论ESD保护的文章将很快发布。

TVS二极管

对于输入端的ESD保护，TVS二极管是最便宜、最可靠的方法之一。TVS二极管还提供了针对意外瞬态电压的优秀保护。

在我设计的大多数设备上，我会在用户可能触摸的每个输入端，或者用手指接近触摸的地方添加一个TVS二极管。22kV的放电应该能够跳过大约20mm的间隙，所以仅仅让连接器上的引脚内嵌并不能保证免受ESD的影响。TVS二极管便宜、紧凑且易于添加到设计中，因此几乎没有理由不使用它们。有许多设备可用，不会干扰高频通信，如USB 3.0，允许它们被用于所有连接。

虽然我提到TVS二极管可能无法承受非常大的静电放电事件，但在每条线路上安装一个便宜的二极管将使您能够在没有气体放电管的高昂费用的情况下，承受绝大多数放电事件。我听到一些工程师说，你不应该在ESD保护上浪费钱，因为它可能无法保护电路免受所有事件的影响，然而，对我来说，它至少能够防护95%的事件已经足够好了。

气体放电管避雷器

气体放电管并不特别适合直接保护暴露在连接上的微控制器输入，但它们在保护交流主电输入或电信设备免受ESD甚至雷击方面却异常出色。如果您需要迅速将大量能量移动到地面，气体放电管正是您所寻找的。

气体放电管的工作原理是其输入与地面之间的电压使管内的气体电离。一旦达到这个阈值，电离的气体就能够远比同等大小的硅器件导通更多的电流。

正如我所说，这些对于保护您的微控制器并不特别有用——通过火花过电压库存的气体放电管清楚地显示了原因。大约20%的气体放电管的火花过电压在100V以下，20%在150V到250V之间，20%在250V到350V之间，另外20%在350V到1000V之间，其余的超过1000V。这给您一个应用的好主意——它们通常用于110V设备、240/250V设备、380/400V设备和其他设备，对于90V以下的设备只有几个选项可用。这使得您的3.3v微控制器输入可能会因为气体放电管需要拦截进来的电压和电流而被烧毁。

如果您有一个电信设备，或者连接到交流电源的设备，应该具备处理安装人员或闪电引起的ESD事件的能力，GDT可能会为您完成工作。低成本的气体放电管可以轻松处理5,000安培，而提供高达25,000安培的紧凑选项也是可用的。

要处理这么大的电流，需要认真考虑您围绕气体放电管的接地连接，以确保您不会通过蒸发接地回路来保护电路板。

PCB特性

穷人的ESD保护可以在没有任何外部组件的情况下构建。高电压希望尽可能快速和高效地到达地面，并且会乐意电离一些空气以创建到达那里的导电路径。通过在电路板上创建一对相互指向的三角形，一个来自要保护的连接器引脚，另一个在接地平面上，您可以创建一个简单的火花间隙。通过足够大的间隙，ESD事件很容易跨越，但正常设备操作不会，您可以为您的电路板提供一些基本的保护。

尽管使用起来很方便，一些工程师仍然质疑设计火花隙是否值得花费时间，因为它们确实存在一些缺点。与气体放电管一样，火花过电压相对于逻辑电平电压来说是相当高的。这意味着火花隙可能无法充分保护你的微控制器或其他逻辑电平设备的输入或输出免受ESD事件的影响。导体和接地暴露并彼此紧密排列也可能允许污染物跨越隙缝并导电，这可能会扭曲信号或降低连接的功能性，如果不是直接损坏某些东西的话。

根据你的应用情况，在你的连接器中构建火花隙可能是明智的，然而，在其他应用中，它可能会导致设备过早失败。

生产后保护

你对电路板施加的保护并不仅仅在电路中。你可能还需要在电路板上涂抹一种物质，以确保它免受腐蚀和湿气的影响，或者提高整体电气保护。

共形涂层

对于将要暴露于许多环境挑战的电路板来说，共形涂层非常理想。共形涂层的电路板将具有抗湿性或防水性，并且能抵抗灰尘或其他碎片在电路板上造成短路，同时也能抵抗大气腐蚀。 共形涂层可以帮助那些暴露于中等振动的电路，通过提供额外的粘合力和稳定性来支持板上安装的部件。

共形涂层可以喷涂在电路板上或者用刷子涂抹，这取决于你需要覆盖的几何形状，无论是在表面积还是复杂性方面。你不会希望在连接器或需要焊接电线的区域上涂抹共形涂层，因为它会阻止电气接触。专门从事恶劣环境电路板或进行大量军规工作的合同制造商中，有很大一部分将拥有机器人喷涂共形涂层到你的电路板上的设施。如果你的工作量较小，手工涂抹相对来说很快。

灌封

如果你认为共形涂层听起来不错，那么你一定会喜欢灌封电子设备的想法。灌封通常指的是用非导电树脂（如硅胶或环氧树脂）填充电路板的外壳，这种树脂完全隔离了电路板，避免了外界干扰，并大大增强了设备抵抗冲击和振动的能力。如果你在处理高电压，用一种导电性较低的物质替换空气，可以让你在组件之间使用更小的爬电间隙，同时减少因空气被高电压电离而导致故障的机会。灌封的电子设备通常会对它们所处的环境具有不透性，树脂充当了防尘、防潮和防腐蚀剂的屏障。

如果你有以下需求，最有可能考虑灌封你的电子设备：

• 防爆设计（即，你的设备不会在易燃气体环境中引发爆炸。）
• 非常高的电压。
• 处理高振动或冲击。
• 极端环境条件（例如，腐蚀、湿气、压力、真空）

如果您使用如环氧树脂这样几乎不可能从每个组件上移除的树脂来封装您的设备，您就不必担心有人会对您的产品进行逆向工程，因为他们想要接触到电路板和组件几乎是不切实际的。

一个缺点是，您也几乎不可能接触到电路板和组件。这意味着一旦电路板被封装，就无法进行修理或诊断，所以如果用户收到的电路板一旦出现故障，唯一的选择将是完全更换。

另一个缺点是热传导性差。虽然有热传导性树脂可用，这些树脂可以提供改善的散热性能，但这些树脂可能相当昂贵。完全用一种既不导热也不导气的物质封装您的电路板，会导致需要散发大量热量的设备因过热而失败，同时也使得使用散热片变得困难。

虽然我们讨论了对大多数人来说相关的电路保护方法，但PCB设计被集成在许多不同的行业中。一些应用可能需要更极端的保护方法，而其他应用可能几乎不需要任何保护。请在下面的评论区告诉我们您的想法。

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