Protection contre les surtensions PCB : Concevoir votre PCB pour la suppression des tensions transitoires

Les systèmes électroniques dans les environnements industriels, dans les avions, dans la distribution d'énergie et dans de nombreux produits de consommation peuvent être à risque de subir des surtensions. Lorsqu'une surtension se produit, un pic important de courant se propage dans la carte à travers une connexion électrique ou autre connecteur, causant des dommages aux composants et pouvant entraîner une défaillance du système. Un événement lié est la décharge électrostatique (DES), qui crée essentiellement le même effet mais avec une cause différente.

Pour faire face à ces dangers dans des scénarios opérationnels typiques, de multiples normes industrielles définissant les exigences de sécurité et de tenue aux transitoires ont été développées. La protection contre les surtensions et la protection contre les DES sont également une partie importante de la réussite des tests CEM. Il existe trois niveaux auxquels la suppression des tensions transitoires résultant de surtensions peut être abordée :

• Dans la conception de l'enceinte
• Sur le PCB avec la bonne stratégie de mise à la terre
• Avec des composants qui dévient ou absorbent les tensions transitoires

Dans ce guide, nous avons inclus de multiples ressources qui détaillent la sélection des composants, le placement et les pratiques de mise à la terre pour assurer une protection maximale contre les DES dans un PCBA. Ces trois domaines peuvent être abordés avec les outils de mise en page et les fonctionnalités de sélection de composants trouvés dans Altium Designer, le meilleur logiciel de l'industrie pour la conception de PCB.

Stratégies de protection contre les surtensions sur PCB

Si vous utilisez des multiprises pour vos appareils électroniques domestiques, alors vous êtes déjà conscient de la protection contre les surtensions qu'elles fournissent. En cas de foudre, de surtension sur la ligne principale, d'un court-circuit dans votre installation électrique domestique, un protecteur de surtension agira comme un suppresseur de tension et atténuera la transitoire reçue à l'entrée de puissance. La protection contre les surtensions se concentre soit sur le déroutement, l'absorption, soit sur le blocage complet des courants transitoires de différents taux de montée et tensions de crête.

Sélection des composants de suppression de tension transitoire

Les tensions transitoires apparaissent dans l'électronique de deux manières : comme des surtensions sur les lignes de bus de puissance, et à partir d'événements ESD qui injectent une impulsion dans les lignes de puissance ou de données. Ainsi, certains composants peuvent protéger à la fois contre les ESD et les surtensions. Il y a deux spécifications importantes pour la sélection de ces composants :

• Temps de réponse
• Tension, courant et/ou puissance admissible

Il existe de multiples options pour les composants de suppression de tension transitoire et la protection contre les surtensions. Ces composants fournissent une protection contre les surtensions sur différentes gammes et taux de montée transitoires, et ils peuvent être combinés dans une configuration en cascade pour fournir une protection maximale pour les dispositifs électroniques.

Le niveau de protection fourni par ces composants varie largement, ils ont donc été grossièrement catégorisés dans des gammes de protection comme montré dans le tableau ci-dessus. Le tableau liste également comment ces éléments sont connectés dans les circuits ; un exemple avec des diodes TVS bidirectionnelles est montré ci-dessous.

Placement des dispositifs de protection contre les surtensions

Le placement idéal des composants de protection contre les surtensions est à proximité de l'endroit où un PCB pourrait être exposé à un événement transitoire. Les composants de protection contre les surtensions devraient interagir avec l'impulsion ESD entrante avant que l'impulsion ait une chance d'endommager d'autres composants. Les zones typiques où une exposition à l'ESD pourrait se produire incluent les surfaces des connecteurs, les broches exposées, les connecteurs d'alimentation/baril, les boutons et les interrupteurs. Un exemple de placement est montré ci-dessous.

• En savoir plus sur le placement des protecteurs de surtension en tant qu'éléments shunt

La même idée s'applique aux dispositifs de protection contre les surtensions comme les disjoncteurs, les fusibles réarmables, les relais et les tubes à décharge de gaz. Par exemple, ces composants sont souvent utilisés sur les entrées d'alimentation principales, donc ils doivent être placés sur le PCB près de ce connecteur.

Sur le PCB, il est préférable de placer les diodes TVS, les tubes à décharge de gaz ou le varistor à oxyde métallique comme un élément de dérivation à travers la ligne protégée. Cela s'applique aux lignes de signal et d'alimentation. L'image de la disposition du PCB ci-dessous montre le placement de trois diodes TVS ; deux sont sur une paire différentielle et une est sur une ligne de bus d'alimentation venant d'un connecteur USB-A.

Le schéma montré ci-dessus illustre une connexion entre le GND du châssis et le GND du système, ce dernier étant utilisé pour référencer les signaux dans les lignes de données. Cette connexion est importante pour la protection ESD mais elle ne doit généralement pas être placée au niveau du connecteur. Au contraire, le placement de cette connexion est une partie importante d'une stratégie de mise à la terre que les concepteurs doivent considérer si un sol de châssis est présent dans le système.

Mise à la terre

Bien que les dispositifs de protection contre les surtensions qui absorbent et/ou dérivent les transitoires soient importants pour la protection des appareils, la meilleure stratégie pour la protection contre les surtensions et les décharges électrostatiques (ESD) commence par la bonne stratégie de mise à la terre. Les régions de mise à la terre dans une conception peuvent agir comme un conducteur sûr pour dissiper les courants provenant des événements ESD. Un agencement de PCB qui est susceptible de recevoir des transitoires forts ou qui se connecte à des tensions de ligne devrait avoir la bonne stratégie de mise à la terre pour se protéger contre les ESD et les défauts.

• En savoir plus sur les types de mise à la terre dans un agencement de PCB

Une connexion de retour à la terre du châssis et éventuellement à la terre (en supposant qu'elles soient présentes) peut être réalisée sur la carte. Cela fournit une excellente protection ESD, en particulier sur les boîtiers de câbles métallisés et les câbles blindés. Avec la protection contre les surtensions, un élément de dérivation peut dévier un transitoire par une connexion directe de retour à la terre du châssis ou du système. Il est important de déterminer où les surtensions seront dissipées lors de la conception de votre système et de la détermination de la topologie de votre agencement de PCB.

Quels systèmes ont besoin d'une protection contre les surtensions ?

Tous les PCB ne feront pas partie d'un système exposé à de hautes tensions ou à des événements ESD. Il existe des normes CEM qui s'appliquent à l'électronique à usage général ; celles-ci sont spécifiées par la FCC/CE aux États-Unis et en Europe, mais il existe d'autres normes adaptées à différents pays. D'autres groupes industriels et agences gouvernementales ont spécifié certaines exigences ESD pour l'électronique dans différents secteurs ou environnements d'application, tels que :

• MIL‑STD‑1686
• normes ANSI
• normes ISO
• normes IEC
• normes DO-160
• tests SAE J
• normes FAA

Ces groupes de normes couvrent des systèmes allant de l'équipement de bureau commercial au matériel militaire, automobile, aéronautique et médical. Des installations d'essai spécialisées offriront des services de vérification de conformité par rapport à ces groupes de normes. Ces normes font partie d'une démarche plus large de tests et de conformité CEM, assurez-vous de comprendre les meilleures stratégies pour mettre en œuvre une protection ESD.

• Apprenez-en plus sur la conformité EMC

Peu importe les composants de protection contre les surtensions PCB que vous choisissez pour votre PCB, vous aurez besoin de travailler avec un logiciel de conception qui facilite la recherche, le placement et le routage de ces composants. Lorsque vous avez besoin de trouver des composants de protection contre les surtensions pour votre carte, utilisez les outils CAO dans Altium Designer^®. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez envoyer les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365^™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.

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