Ochrona PCB przed przepięciami: Projektowanie PCB pod kątem tłumienia napięć przejściowych

Systemy elektroniczne w środowiskach przemysłowych, w samolotach, w dystrybucji energii oraz w wielu produktach konsumenckich mogą być narażone na ryzyko wystąpienia przepięć. Gdy dojdzie do przepięcia, duży skok prądu propaguje się do płytki przez połączenie zasilające lub inny konektor, powodując uszkodzenie komponentów i potencjalnie prowadząc do awarii systemu. Zdarzeniem pokrewnym jest wyładowanie elektrostatyczne (ESD), które w zasadzie wywołuje ten sam efekt, ale ma inną przyczynę.

Aby zaradzić tym zagrożeniom w typowych scenariuszach operacyjnych, opracowano wiele standardów branżowych określających wymagania bezpieczeństwa i odporności na przepięcia. Ochrona przed przepięciami i ochrona ESD są również ważną częścią zdawania testów EMC. Istnieją trzy poziomy, na których można adresować tłumienie napięcia przemiennego wynikające z przepięć:

• W projektowaniu obudowy
• Na PCB z odpowiednią strategią uziemienia
• Za pomocą komponentów, które odprowadzają lub absorbują napięcia przemienne

W tym przewodniku zawarliśmy wiele zasobów, które opisują dobór komponentów, ich rozmieszczenie oraz praktyki uziemiania, aby zapewnić maksymalną ochronę ESD w PCBA. Te trzy obszary można adresować za pomocą narzędzi do układania i funkcji wyboru komponentów znajdujących się w Altium Designer, najlepszym oprogramowaniu do projektowania PCB w branży.

Strategie ochrony PCB przed przepięciami

Jeśli używasz listew zasilających do swoich domowych urządzeń elektronicznych, to już wiesz o ochronie przed przepięciami, którą zapewniają. W przypadku uderzenia pioruna, przepięcia na linii zasilającej, zwarcia w domowej instalacji elektrycznej, ochronnik przepięciowy działa jako tłumik napięcia i łagodzi przepięcia odbierane na wejściu zasilania. Ochrona przed przepięciami koncentruje się na odprowadzaniu, pochłanianiu lub całkowitym blokowaniu prądów przepięciowych o różnych szybkościach narastania i szczytowych napięciach.

Wybór komponentów do tłumienia przepięć napięciowych

Przepięcia napięciowe pojawiają się w elektronice na dwa sposoby: jako przepięcia na liniach zasilających oraz przez zdarzenia ESD, które wstrzykują impuls do linii zasilających lub danych. W związku z tym, niektóre komponenty mogą chronić zarówno przed ESD, jak i przepięciami. Dwie ważne specyfikacje przy wyborze tych komponentów to:

• Czas reakcji
• Zdolność wytrzymywania napięcia, prądu i/lub mocy

Istnieje wiele opcji komponentów do tłumienia przepięć napięciowych i ochrony przed przepięciami. Te komponenty zapewniają ochronę przed przepięciami w różnych zakresach i przy różnych szybkościach narastania przepięć, i mogą być łączone w kaskadowej konfiguracji, aby zapewnić maksymalną ochronę dla urządzeń elektronicznych.

Poziom ochrony zapewniany przez te komponenty znacznie się różni, dlatego zostały one przybliżenie zaklasyfikowane do zakresów ochrony, jak pokazano w powyższej tabeli. Tabela zawiera również informacje o sposobie ich połączenia w obwodach; poniżej pokazano przykład z dwukierunkowymi diodami TVS.

Rozmieszczenie urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej

Idealne rozmieszczenie komponentów ochrony przeciwprzepięciowej to miejsce w pobliżu, gdzie PCB może być narażone na zdarzenie przejściowe. Komponenty ochrony przeciwprzepięciowej powinny wchodzić w interakcję z nadchodzącym impulsem ESD, zanim impuls zdąży uszkodzić jakiekolwiek inne komponenty. Typowe obszary, gdzie może wystąpić ekspozycja na ESD, to powierzchnie złączy, wystające piny, złącza zasilania/bębenkowe, przyciski i przełączniki. Poniżej pokazano przykład rozmieszczenia.

• Dowiedz się więcej o rozmieszczaniu ochronników przeciwprzepięciowych jako elementów równoległych

Ta sama idea dotyczy urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej, takich jak wyłączniki obwodów, bezpieczniki samoresetujące, przekaźniki i rurki wyładowcze gazowe. Na przykład, te komponenty są często używane przy głównych wejściach zasilania, więc powinny być umieszczone na PCB w pobliżu tego złącza.

Na PCB preferowane jest umieszczanie diod TVS, rurek wyładowczych gazowych lub warystorów tlenkowych jako elementu szuntującego wzdłuż chronionej linii. Dotyczy to zarówno linii sygnałowych, jak i zasilających. Poniższy obraz układu PCB pokazuje umieszczenie trzech diod TVS; dwie są na parze różnicowej, a jedna na linii szyny zasilającej pochodzącej z złącza USB-A.

Schemat pokazany powyżej ilustruje połączenie między masą obudowy (chassis GND) a masą systemu (system GND), która jest używana do odniesienia sygnałów w liniach danych. To połączenie jest ważne dla ochrony ESD, ale generalnie nie powinno być umieszczane przy złączu. Zamiast tego, umiejscowienie tego połączenia jest ważną częścią strategii uziemienia, którą projektanci muszą rozważyć, jeśli w systemie obecna jest masa obudowy.

Uziemienie

Podczas gdy urządzenia chroniące przed przepięciami, które absorbują i/lub omijają przepięcia, są ważne dla ochrony urządzenia, najlepsza strategia ochrony przed przepięciami i ESD zaczyna się od odpowiedniej strategii uziemienia. Obszary uziemienia w projekcie mogą działać jako bezpieczny przewodnik do rozpraszania prądów z zdarzeń ESD. Układ PCB, który ma otrzymywać silne przepięcia lub który jest podłączony do napięć sieciowych, powinien mieć odpowiednią strategię uziemienia, aby chronić przed ESD i awariami.

• Dowiedz się więcej o rodzajach uziemień w układzie PCB

Połączenie z powrotem do uziemienia obudowy, a ostatecznie do uziemienia ziemi (zakładając, że są obecne), może być wykonane na płytce. Zapewnia to doskonałą ochronę przed ESD, szczególnie na metalizowanych obudowach kabli i ekranowanych kablach. W przypadku ochrony przed przepięciami, element shuntujący może odprowadzić przepięcie przez bezpośrednie połączenie z powrotem do uziemienia obudowy lub systemu. Ważne jest, aby określić, gdzie będą rozpraszane przepięcia podczas projektowania systemu i określania topologii układu PCB.

Które systemy potrzebują ochrony przed przepięciami?

Nie wszystkie PCB będą częścią systemu, który będzie narażony na wysokie napięcia lub zdarzenia ESD. Istnieją standardy EMC, które dotyczą elektroniki ogólnego użytku; są one określone przez FCC/CE w USA i Europie, ale istnieją również inne, dostosowane do różnych krajów. Inne grupy branżowe i agencje rządowe określiły pewne wymagania dotyczące ESD dla elektroniki w różnych branżach lub środowiskach aplikacyjnych, takich jak:

• MIL‑STD‑1686
• standardy ANSI
• standardy ISO
• standardy IEC
• standardy DO-160
• testy SAE J
• standardy FAA

Te grupy standardów obejmują systemy od sprzętu biurowego po sprzęt wojskowy, motoryzacyjny, lotniczy i urządzenia medyczne. Specjalistyczne ośrodki testowe oferują usługi weryfikacji zgodności z tymi grupami standardów. Te standardy są częścią szerszych testów i zgodności EMC, upewnij się, że rozumiesz najlepsze strategie wdrażania ochrony ESD.

• Dowiedz się więcej o zgodności EMC

Niezależnie od tego, które komponenty ochrony przeciwprzepięciowej PCB wybierzesz dla swojej płytki, będziesz musiał pracować z oprogramowaniem do projektowania, które ułatwia znajdowanie, umieszczanie i trasowanie tych komponentów. Kiedykolwiek będziesz potrzebować znaleźć komponenty ochrony przeciwprzepięciowej PCB dla swojej płyty, użyj narzędzi CAD w Altium Designer^®. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.