Überspannungsschutz für Leiterplatten: Entwurf Ihrer PCB für transiente Spannungsunterdrückung

Elektronische Systeme in industriellen Umgebungen, in Flugzeugen, in der Stromverteilung und in vielen Verbraucherprodukten können einem Risiko von Spannungsspitzen ausgesetzt sein. Wenn eine Spannungsspitze auftritt, breitet sich ein großer Stromstoß über eine Stromverbindung oder einen anderen Anschluss in die Platine aus und verursacht Schäden an Komponenten und kann potenziell zum Systemausfall führen. Ein damit zusammenhängendes Ereignis ist die elektrostatische Entladung (ESD), die im Wesentlichen denselben Effekt erzeugt, jedoch mit einer anderen Ursache.

Um diesen Gefahren in typischen Betriebsszenarien zu begegnen, wurden mehrere Industriestandards entwickelt, die Sicherheits- und Transientfestigkeitsanforderungen definieren. Überspannungsschutz und ESD-Schutz sind auch ein wichtiger Teil der EMC-Prüfung. Es gibt drei Ebenen, auf denen die Unterdrückung von transienten Spannungen, die durch Spannungsspitzen verursacht werden, angegangen werden kann:

• Im Gehäusedesign
• Auf der PCB mit der richtigen Erdungsstrategie
• Mit Komponenten, die transiente Spannungen umleiten oder absorbieren

In diesem Leitfaden haben wir mehrere Ressourcen aufgenommen, die die Auswahl, Platzierung und Erdungspraktiken von Komponenten umreißen, um maximalen ESD-Schutz in einer PCBA zu gewährleisten. Diese drei Bereiche können mit den Layout-Tools und Komponentenauswahlfunktionen, die in Altium Designer gefunden werden, dem branchenführenden Software für PCB-Design, angegangen werden.

PCB Überspannungsschutzstrategien

Wenn Sie Steckdosenleisten für Ihre Heimelektronik verwenden, dann sind Sie sich bereits des Überspannungsschutzes bewusst, den sie bieten. Im Falle eines Blitzschlags, einer Spannungsspitze in der Hauptleitung oder eines Kurzschlusses in Ihrer häuslichen Elektroinstallation, wird ein Überspannungsschutz als Spannungsbegrenzer fungieren und die am Stromanschluss empfangene transiente Spannung dämpfen. Der Überspannungsschutz konzentriert sich darauf, transiente Ströme unterschiedlicher Anstiegsgeschwindigkeiten und Spitzen-Spannungen entweder umzuleiten, zu absorbieren oder vollständig zu blockieren.

Auswahl von Komponenten zur Unterdrückung transienter Spannungen

Transiente Spannungen entstehen in der Elektronik auf zwei Arten: als Spannungsspitzen auf Stromversorgungsleitungen und durch ESD-Ereignisse, die einen Impuls in Strom- oder Datenleitungen einspeisen. Daher können einige Komponenten sowohl gegen ESD als auch gegen Überspannungen schützen. Es gibt zwei wichtige Spezifikationen für die Auswahl dieser Komponenten:

• Ansprechzeit
• Durchhalte-Spannung, Strom und/oder Leistungsbewertung

Es gibt mehrere Optionen für Komponenten zur Unterdrückung transienter Spannungen und für den Überspannungsschutz. Diese Komponenten bieten Schutz über verschiedene Bereiche und transiente Anstiegsgeschwindigkeiten, und sie können in einer kaskadierten Konfiguration kombiniert werden, um maximalen Schutz für elektronische Geräte zu bieten.

Das Schutzniveau, das durch diese Komponenten bereitgestellt wird, variiert stark, daher wurden sie grob in Schutzbereiche eingeteilt, wie in der obigen Tabelle gezeigt. Die Tabelle listet auch auf, wie diese in Schaltkreisen verbunden sind; ein Beispiel mit bidirektionalen TVS-Dioden wird unten gezeigt.

Platzierung von Überspannungsschutzgeräten

Die ideale Platzierung von Überspannungsschutzkomponenten ist in der Nähe des Ortes, an dem eine Leiterplatte einem transienten Ereignis ausgesetzt sein könnte. Überspannungsschutzkomponenten sollten mit dem eingehenden ESD-Impuls interagieren, bevor der Impuls eine Chance hat, andere Komponenten zu beschädigen. Typische Bereiche, in denen eine ESD-Exposition auftreten könnte, umfassen Anschlussflächen, freiliegende Pins, Strom-/Fassungsverbinder, Tasten und Schalter. Ein Beispiel für eine Platzierung wird unten gezeigt.

• Erfahren Sie mehr über die Platzierung von Überspannungsschutzgeräten als Shunt-Elemente

Die gleiche Idee gilt für Überspannungsschutzgeräte wie Leistungsschalter, rückstellbare Sicherungen, Relais und Gasentladungsröhren. Beispielsweise werden diese Komponenten oft bei den Hauptstromanschlüssen verwendet, daher sollten sie auf der Leiterplatte in der Nähe dieses Anschlusses platziert werden.

Auf der Leiterplatte ist es vorzuziehen, TVS-Dioden, Gasentladungsröhren oder Metalloxid-Varistoren als Shunt-Element über die geschützte Leitung zu platzieren. Dies gilt für Signal- und Stromleitungen. Das unten gezeigte Layout der Leiterplatte zeigt die Platzierung von drei TVS-Dioden; zwei befinden sich an einem differentiellen Paar und eine an einer Strombusleitung, die von einem USB-A-Anschluss kommt.

Das oben gezeigte Schaltbild illustriert eine Verbindung zwischen dem Chassis-GND und dem System-GND, letzterer wird verwendet, um Signale in den Datenleitungen zu referenzieren. Diese Verbindung ist wichtig für den ESD-Schutz, sollte aber im Allgemeinen nicht am Anschluss platziert werden. Stattdessen ist die Platzierung dieser Verbindung ein wichtiger Teil einer Erdungsstrategie, die Designer berücksichtigen müssen, wenn ein Chassis-Ground im System vorhanden ist.

Erdung

Während Überspannungsschutzgeräte, die Transienten absorbieren und/oder umleiten, wichtig für den Schutz von Geräten sind, beginnt die beste Strategie für Überspannungs- und ESD-Schutz mit der richtigen Erdungsstrategie. Erdungsbereiche in einem Design können als sicherer Leiter zum Ableiten von Strömen aus ESD-Ereignissen dienen. Ein PCB-Layout, das starke Transienten erwarten lässt oder das an Netzspannungen angeschlossen wird, sollte die richtige Erdungsstrategie haben, um gegen ESD und Fehler zu schützen.

• Erfahren Sie mehr über Arten von Erdungen in einem PCB-Layout

Eine Verbindung zurück zum Chassis-Erdung und letztendlich zur Erderdung (vorausgesetzt, diese sind vorhanden) kann auf der Platine hergestellt werden. Dies bietet einen ausgezeichneten ESD-Schutz, insbesondere bei metallisierten Kabelgehäusen und abgeschirmten Kabeln. Mit Überspannungsschutz kann ein Shunt-Element einen Transienten durch eine direkte Verbindung zurück zum Chassis oder Systemgrund ableiten. Es ist wichtig zu bestimmen, wo Stromspitzen abgeleitet werden, wenn Sie Ihr System entwerfen und Ihre PCB-Layout-Topologie festlegen.

Welche Systeme benötigen Überspannungsschutz?

Nicht alle Leiterplatten werden Teil eines Systems sein, das hohen Spannungen oder ESD-Ereignissen ausgesetzt ist. Es gibt EMC-Standards, die für allgemeine Elektronik gelten; diese werden in den USA und Europa von der FCC/CE spezifiziert, aber es gibt auch andere, die für verschiedene Länder geeignet sind. Andere Industriegruppen und Regierungsbehörden haben bestimmte ESD-Anforderungen für Elektronik in verschiedenen Industrien oder Anwendungsumgebungen festgelegt, wie zum Beispiel:

• MIL‑STD‑1686
• ANSI-Standards
• ISO-Standards
• IEC-Standards
• DO-160-Standards
• SAE J-Tests
• FAA-Standards

Diese Gruppen von Standards decken Systeme von kommerziellen Bürogeräten bis hin zu militärischen, automobilen, Flugzeug- und Medizingeräten ab. Spezialisierte Testeinrichtungen bieten Dienstleistungen zur Überprüfung der Konformität mit diesen Gruppen von Standards an. Diese Standards sind Teil einer umfassenderen EMC-Prüfung und -Konformität. Stellen Sie sicher, dass Sie die besten Strategien zur Implementierung von ESD-Schutz verstehen.

• Erfahren Sie mehr über die Einhaltung der EMC-Richtlinien

Unabhängig davon, welche Überspannungsschutzkomponenten Sie für Ihre Leiterplatte auswählen, benötigen Sie ein Designprogramm, das es Ihnen leicht macht, diese Komponenten zu finden, zu platzieren und zu verlegen. Wenn Sie Überspannungsschutzkomponenten für Ihre Platine suchen müssen, verwenden Sie die CAD-Tools in Altium Designer^®. Wenn Sie mit Ihrem Design fertig sind und die Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, erleichtert die Plattform Altium 365^™ die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte.

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