Protezione da Sovratensioni PCB: Progettare il Tuo PCB per la Suppressione delle Tensioni Transitorie

I sistemi elettronici in ambienti industriali, negli aeromobili, nella distribuzione di energia e in molti prodotti di consumo possono essere a rischio di subire sovratensioni. Quando si verifica una sovratensione, un grande picco di corrente si propaga nella scheda attraverso una connessione di alimentazione o altro connettore, causando danni ai componenti e potenzialmente provocando il fallimento del sistema. Un evento correlato è la scarica elettrostatica (ESD), che essenzialmente crea lo stesso effetto ma con una causa radice diversa.

Per affrontare questi pericoli in scenari operativi tipici, sono stati sviluppati diversi standard industriali che definiscono i requisiti di sicurezza e di resistenza ai transitori. La protezione da sovratensioni e la protezione ESD sono anche una parte importante per superare i test EMC. Ci sono tre livelli ai quali la soppressione della tensione transitoria risultante da sovratensioni può essere affrontata:

• Nel design dell'involucro
• Sulla PCB con la giusta strategia di messa a terra
• Con componenti che deviano o assorbono le tensioni transitorie

In questa guida, abbiamo incluso molteplici risorse che delineano la selezione dei componenti, il posizionamento e le pratiche di messa a terra per garantire la massima protezione ESD in una PCBA. Queste tre aree possono essere affrontate con gli strumenti di layout e le funzionalità di selezione dei componenti trovati in Altium Designer, il miglior software del settore per la progettazione di PCB.

Strategie di Protezione da Sovratensioni per PCB

Se utilizzi ciabatte elettriche per i tuoi dispositivi elettronici domestici, allora sei già a conoscenza della protezione da sovratensioni che offrono. In caso di fulmine, sovratensione sulla linea principale, un cortocircuito nel cablaggio elettrico di casa, un dispositivo di protezione da sovratensione agirà come un soppressore di tensione e attenuerà la transitoria ricevuta all'ingresso di alimentazione. La protezione da sovratensione si concentra sull'indirizzare, assorbire o bloccare completamente le correnti transitorie di diversi tassi di salita e tensioni di picco.

Selezione dei componenti per la soppressione delle tensioni transitorie

Le tensioni transitorie si manifestano nell'elettronica in due modi: come sovratensioni sulle linee di alimentazione e da eventi di scarica elettrostatica (ESD) che iniettano un impulso nelle linee di alimentazione o dati. Pertanto, alcuni componenti possono proteggere sia da ESD che da sovratensioni. Ci sono due specifiche importanti per la selezione di questi componenti:

• Tempo di risposta
• Tensione, corrente e/o valutazione di potenza sopportabile

Ci sono molteplici opzioni per i componenti di soppressione delle tensioni transitorie e protezione da sovratensioni. Questi componenti forniscono protezione da sovratensioni su diverse gamme e tassi di salita transitori, e possono essere combinati in una configurazione a cascata per fornire la massima protezione per i dispositivi elettronici.

Il livello di protezione fornito da questi componenti varia ampiamente, quindi sono stati grossolanamente categorizzati in intervalli di protezione come mostrato nella tabella sopra. La tabella elenca anche come questi sono connessi nei circuiti; un esempio con diodi TVS bidirezionali è mostrato di seguito.

Posizionamento dei dispositivi di protezione da sovratensioni

Il posizionamento ideale dei componenti di protezione da sovratensioni è vicino al punto in cui un PCB potrebbe essere esposto a un evento transitorio. I componenti di protezione da sovratensioni dovrebbero interagire con l'impulso ESD in arrivo prima che l'impulso abbia la possibilità di danneggiare altri componenti. Le aree tipiche in cui potrebbe verificarsi l'esposizione all'ESD includono superfici dei connettori, pin esposti, connettori di alimentazione/barilotto, pulsanti e interruttori. Di seguito è mostrato un esempio di posizionamento.

• Scopri di più sul posizionamento dei protettori da sovratensione come elementi shunt

La stessa idea si applica ai dispositivi di protezione da sovratensioni come interruttori automatici, fusibili rearmabili, relè e tubi a scarica di gas. Ad esempio, questi componenti sono spesso utilizzati sugli ingressi di alimentazione principali, quindi dovrebbero essere posizionati sulla PCB vicino a quel connettore.

Sulla PCB, è preferibile posizionare i diodi TVS, i tubi a scarica di gas o il varistore di ossido metallico come un elemento shunt attraverso la linea protetta. Questo vale sia per le linee di segnale che di alimentazione. L'immagine del layout della PCB qui sotto mostra il posizionamento di tre diodi TVS; due sono su una coppia differenziale e uno è su una linea di bus di alimentazione proveniente da un connettore USB-A.

Lo schema mostrato sopra illustra una connessione tra il GND del telaio e il GND del sistema, quest'ultimo utilizzato per riferire i segnali nelle linee dati. Questa connessione è importante per la protezione ESD ma generalmente non dovrebbe essere posizionata al connettore. Invece, il posizionamento di questa connessione è una parte importante di una strategia di messa a terra che i progettisti devono considerare se nel sistema è presente una messa a terra del telaio.

Messa a terra

Mentre i dispositivi di protezione da sovratensioni che assorbono e/o deviano le transitorie sono importanti per la protezione dei dispositivi, la migliore strategia per la protezione da sovratensioni e ESD inizia con la giusta strategia di messa a terra. Le regioni di terra in un progetto possono agire come un conduttore sicuro per dissipare le correnti provenienti da eventi ESD. Un layout PCB che si prevede riceva forti transitorie o che si collega a tensioni di linea dovrebbe avere la giusta strategia di messa a terra per proteggersi da ESD e guasti.

• Scopri di più sui tipi di terra in un layout PCB

Un collegamento alla terra del telaio e, eventualmente, alla terra (assumendo che queste siano presenti) può essere realizzato sulla scheda. Ciò fornisce un'eccellente protezione ESD, specialmente su custodie di cavi metallizzate e cavi schermati. Con la protezione da sovratensioni, un elemento shunt può deviare una transitoria tramite un collegamento diretto alla terra del telaio o del sistema. È importante determinare dove verranno dissipate le sovratensioni quando si progetta il proprio sistema e si determina la topologia del layout PCB.

Quali sistemi necessitano della protezione da sovratensioni?

Non tutti i PCB faranno parte di un sistema che sarà esposto ad alte tensioni o eventi ESD. Esistono standard EMC che si applicano all'elettronica di uso generale; questi sono specificati da FCC/CE negli Stati Uniti e in Europa, ma esistono altri adatti per diversi paesi. Altri gruppi industriali e agenzie governative hanno specificato determinati requisiti ESD per l'elettronica in diverse industrie o ambienti di applicazione, come:

• MIL‑STD‑1686
• Standard ANSI
• Standard ISO
• Standard IEC
• Standard DO-160
• Test SAE J
• Standard FAA

Questi gruppi di standard coprono sistemi che vanno dall'attrezzatura per uffici commerciali a dispositivi militari, automobilistici, aerei e medici. Strutture di test specializzate offriranno servizi di verifica della conformità rispetto a questi gruppi di standard. Questi standard fanno parte di un più ampio contesto di test e conformità EMC, assicurati di comprendere le migliori strategie per implementare la protezione ESD.

• Scopri di più sulla conformità EMC

Indipendentemente dai componenti di protezione da sovratensioni per PCB che scegli per il tuo PCB, avrai bisogno di lavorare con un software di progettazione che renda facile trovare, posizionare e instradare questi componenti. Ogni volta che hai bisogno di trovare componenti di protezione da sovratensioni per il tuo circuito stampato, utilizza gli strumenti CAD in Altium Designer^®. Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi inviare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365^™ rende semplice collaborare e condividere i tuoi progetti.

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