Protección contra Sobretensiones en PCB: Diseñando tu PCB para la Supresión de Voltaje Transitorio

Los sistemas electrónicos en entornos industriales, en aeronaves, en distribución de energía y en muchos productos de consumo pueden estar en riesgo de experimentar sobretensiones. Cuando ocurre una sobretensión, un gran pico de corriente se propaga hacia la placa a través de una conexión de energía u otro conector, causando daños a los componentes y potencialmente provocando la falla del sistema. Un evento relacionado es la descarga electrostática (ESD), que esencialmente crea el mismo efecto pero con una causa raíz diferente.

Para abordar estos peligros en escenarios operativos típicos, se han desarrollado múltiples estándares de la industria que definen los requisitos de seguridad y de resistencia a transitorios. La protección contra sobretensiones y la protección ESD también son una parte importante para pasar las pruebas de EMC. Hay tres niveles en los que se puede abordar la supresión de voltaje transitorio resultante de sobretensiones:

• En el diseño del recinto
• En la PCB con la estrategia de puesta a tierra adecuada
• Con componentes que desvían o absorben voltajes transitorios

En esta guía, hemos incluido múltiples recursos que describen la selección de componentes, la colocación y las prácticas de puesta a tierra para asegurar la máxima protección ESD en un PCBA. Estas tres áreas pueden abordarse con las herramientas de diseño de distribución y las características de selección de componentes que se encuentran en Altium Designer, el mejor software de la industria para el diseño de PCB.

Estrategias de Protección contra Sobretensiones en PCB

Si utiliza regletas de enchufes para sus electrónicos en casa, entonces ya está consciente de la protección contra sobretensiones que proporcionan. En el caso de un rayo, una sobretensión en la línea principal, un cortocircuito en el cableado eléctrico de su hogar, un protector contra sobretensiones actuará como un supresor de voltaje y amortiguará el transitorio recibido en la entrada de energía. La protección contra sobretensiones se centra en desviar, absorber o bloquear completamente corrientes transitorias de diferentes tasas de cambio y voltajes pico.

Selección de Componentes para Supresión de Voltaje Transitorio

Los voltajes transitorios surgen en la electrónica de dos maneras: como sobretensiones en líneas de bus de potencia, y por eventos de ESD (Descarga Electroestática) que inyectan un pulso en líneas de potencia o datos. Como tal, algunos componentes pueden proteger contra ESD y sobretensiones. Hay dos especificaciones importantes para seleccionar estos componentes:

• Tiempo de respuesta
• Capacidad de soportar voltaje, corriente y/o potencia

Hay múltiples opciones para componentes de supresión de voltaje transitorio y protección contra sobretensiones. Estos componentes proporcionan protección contra sobretensiones en diferentes rangos y tasas de cambio transitorio, y pueden combinarse en una configuración en cascada para proporcionar la máxima protección para dispositivos electrónicos.

El nivel de protección proporcionado por estos componentes varía ampliamente, por lo que se han categorizado aproximadamente en rangos de protección como se muestra en la tabla anterior. La tabla también indica cómo se conectan estos componentes en los circuitos; a continuación, se muestra un ejemplo con diodos TVS bidireccionales.

Colocación de dispositivos de protección contra sobretensiones

La colocación ideal de los componentes de protección contra sobretensiones es cerca del lugar donde una PCB podría estar expuesta a un evento transitorio. Los componentes de protección contra sobretensiones deben interactuar con el pulso ESD entrante antes de que el pulso tenga la oportunidad de dañar cualquier otro componente. Las áreas típicas donde podría ocurrir la exposición a ESD incluyen superficies de conectores, pines expuestos, conectores de alimentación/barril, botones e interruptores. A continuación, se muestra un ejemplo de colocación.

• Aprende más sobre la colocación de protectores contra sobretensiones como elementos en derivación

La misma idea se aplica a dispositivos de protección contra sobretensiones como interruptores automáticos, fusibles rearmables, relés y tubos de descarga de gas. Por ejemplo, estos componentes se utilizan a menudo en las entradas de alimentación principal, por lo que deben colocarse en la PCB cerca de ese conector.

En la PCB, es preferible colocar diodos TVS, tubos de descarga de gas o varistores de óxido metálico como un elemento de derivación a través de la línea protegida. Esto se aplica tanto para líneas de señal como de alimentación. La imagen del diseño de la PCB a continuación muestra la colocación de tres diodos TVS; dos están en un par diferencial y uno está en una línea de bus de alimentación que viene de un conector USB-A.

El esquemático mostrado arriba ilustra una conexión entre el GND del chasis y el GND del sistema, este último se utiliza para referenciar señales en las líneas de datos. Esta conexión es importante para la protección ESD pero generalmente no debe colocarse en el conector. En cambio, la colocación de esta conexión es una parte importante de una estrategia de puesta a tierra que los diseñadores deben considerar si hay un tierra de chasis presente en el sistema.

Puesta a tierra

Mientras que los dispositivos de protección contra sobretensiones que absorben y/o desvían transitorios son importantes para la protección del dispositivo, la mejor estrategia para la protección contra sobretensiones y ESD comienza con la estrategia de conexión a tierra adecuada. Las regiones de tierra en un diseño pueden actuar como un conductor seguro para disipar corrientes de eventos ESD. Un diseño de PCB que se espera reciba transitorios fuertes o que se conecte a voltajes de línea debería tener la estrategia de conexión a tierra adecuada para protegerse contra ESD y fallas.

• Aprende más sobre tipos de tierras en un diseño de PCB

Una conexión de vuelta a la tierra del chasis y eventualmente a la tierra física (asumiendo que estas están presentes) se puede hacer en la placa. Esto proporciona una excelente protección ESD, especialmente en carcasas de cables metalizadas y cables blindados. Con la protección contra sobretensiones, un elemento de derivación puede desviar un transitorio a través de una conexión directa de vuelta a la tierra del chasis o del sistema. Es importante determinar dónde se disiparán las sobretensiones al diseñar su sistema y determinar la topología de su diseño de PCB.

¿Qué sistemas necesitan protección contra sobretensiones?

No todas las PCB serán parte de un sistema que estará expuesto a altos voltajes o eventos de ESD. Existen normas EMC que se aplican a la electrónica de uso general; estas son especificadas por FCC/CE en EE. UU. y Europa, pero hay otras adecuadas para diferentes países. Otros grupos industriales y agencias gubernamentales han especificado ciertos requisitos de ESD para la electrónica en diferentes industrias o entornos de aplicación, tales como:

• MIL‑STD‑1686
• normas ANSI
• normas ISO
• normas IEC
• normas DO-160
• pruebas SAE J
• normas FAA

Estos grupos de normas cubren sistemas desde equipos de oficina comerciales hasta dispositivos militares, automotrices, aeronáuticos y médicos. Las instalaciones de pruebas especializadas ofrecerán servicios de verificación de cumplimiento contra estos grupos de normas. Estas normas son parte de una prueba y cumplimiento de EMC más amplios, asegúrate de entender las mejores estrategias para implementar la protección contra ESD.

• Aprenda más sobre la conformidad con EMC

No importa qué componentes de protección contra sobretensiones elija para su PCB, necesitará trabajar con un software de diseño que facilite encontrar, colocar y enrutar estos componentes. Siempre que necesite encontrar componentes de protección contra sobretensiones para su placa, utilice las herramientas CAD en Altium Designer. Cuando haya terminado su diseño y quiera enviar los archivos a su fabricante, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración y el compartir sus proyectos.

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