Proteção Contra Surtos em PCB: Projetando Sua PCB para Supressão de Tensão Transitória

Sistemas eletrônicos em ambientes industriais, em aeronaves, na distribuição de energia e em muitos produtos de consumo podem estar em risco de sofrer surtos de energia. Quando um surto ocorre, um grande pico de corrente se propaga na placa através de uma conexão de energia ou outro conector, causando danos aos componentes e potencialmente levando à falha do sistema. Um evento relacionado é a descarga eletrostática (ESD), que essencialmente cria o mesmo efeito, mas com uma causa raiz diferente.

Para abordar esses perigos em cenários operacionais típicos, foram desenvolvidos múltiplos padrões da indústria que definem requisitos de segurança e de resistência a transientes. A proteção contra surtos e a proteção contra ESD também são partes importantes para passar nos testes de EMC. Existem três níveis nos quais a supressão de tensão transitória resultante de surtos de energia pode ser abordada:

• No design do invólucro
• Na PCB com a estratégia de aterramento correta
• Com componentes que desviam ou absorvem tensões transientes

Neste guia, incluímos múltiplos recursos que delineiam a seleção de componentes, colocação e práticas de aterramento para garantir a máxima proteção contra ESD em uma PCBA. Essas três áreas podem ser abordadas com as ferramentas de layout e recursos de seleção de componentes encontrados no Altium Designer, o melhor software da indústria para design de PCB.

Estratégias de Proteção Contra Surtos em PCB

Se você usa réguas de energia para seus eletrônicos domésticos, então já está ciente da proteção contra surtos que elas oferecem. No caso de um raio, surto de energia na linha principal, um curto-circuito na fiação elétrica de sua casa, um protetor contra surtos atuará como um supressor de tensão e amortecerá o transiente recebido na entrada de energia. A proteção contra surtos foca em desviar, absorver ou bloquear completamente correntes transientes de diferentes taxas de variação e tensões de pico.

Selecionando Componentes de Supressão de Tensão Transitória

Tensões transitórias surgem na eletrônica de duas maneiras: como surtos de energia em linhas de ônibus de energia, e de eventos de ESD que injetam um pulso em linhas de energia ou dados. Assim, alguns componentes podem proteger contra ambos, ESD e surtos. Há duas especificações importantes para selecionar esses componentes:

• Tempo de resposta
• Tensão, corrente e/ou classificação de potência suportada

Existem múltiplas opções para componentes de supressão de tensão transitória e proteção contra surtos. Esses componentes fornecem proteção contra surtos em diferentes faixas e taxas de variação transiente, e podem ser combinados em uma configuração em cascata para fornecer proteção máxima para dispositivos eletrônicos.

O nível de proteção fornecido por esses componentes varia amplamente, por isso eles foram categorizados aproximadamente em faixas de proteção, conforme mostrado na tabela acima. A tabela também lista como eles são conectados em circuitos; um exemplo com diodos TVS bidirecionais é mostrado abaixo.

Colocação de Dispositivos de Proteção contra Surtos

A colocação ideal de componentes de proteção contra surtos é próxima ao local onde um PCB poderia ser exposto a um evento transitório. Os componentes de proteção contra surtos devem interagir com o pulso ESD antes que o pulso tenha a chance de danificar quaisquer outros componentes. Áreas típicas onde a exposição ao ESD poderia ocorrer incluem superfícies de conectores, pinos expostos, conectores de energia/barrel, botões e interruptores. Um exemplo de colocação é mostrado abaixo.

• Saiba mais sobre a colocação de protetores contra surtos como elementos em paralelo

A mesma ideia se aplica a dispositivos de proteção contra surtos, como disjuntores, fusíveis rearmáveis, relés e tubos de descarga a gás. Por exemplo, esses componentes são frequentemente usados em entradas de energia principais, portanto, devem ser colocados na PCB perto desse conector.

Na PCB, é preferível colocar diodos TVS, tubos de descarga a gás ou varistor de óxido metálico como um elemento de derivação através da linha protegida. Isso vale para linhas de sinal e de energia. A imagem de layout da PCB abaixo mostra a colocação de três diodos TVS; dois estão em um par diferencial e um está em uma linha de barramento de energia vindo de um conector USB-A.

O esquemático mostrado acima ilustra uma conexão entre o GND do chassis e o GND do sistema, este último sendo usado para referenciar sinais nas linhas de dados. Essa conexão é importante para a proteção contra ESD, mas geralmente não deve ser colocada no conector. Em vez disso, a colocação dessa conexão é uma parte importante de uma estratégia de aterramento que os projetistas devem considerar se um aterramento de chassis estiver presente no sistema.

Aterramento

Embora os dispositivos de proteção contra surtos que absorvem e/ou desviam transientes sejam importantes para a proteção do dispositivo, a melhor estratégia para proteção contra surtos e ESD começa com a estratégia de aterramento correta. Regiões de aterramento em um design podem atuar como um condutor seguro para dissipar correntes de eventos ESD. Um layout de PCB que se espera receber transientes fortes ou que se conecta a tensões de linha deve ter a estratégia de aterramento correta para proteger contra ESD e falhas.

• Saiba mais sobre tipos de aterramentos em um layout de PCB

Uma conexão de volta ao aterramento do chassis e eventualmente ao aterramento terrestre (assumindo que estes estejam presentes) pode ser feita na placa. Isso proporciona uma excelente proteção contra ESD, especialmente em invólucros de cabos metalizados e cabos blindados. Com a proteção contra surtos, um elemento de desvio pode desviar um transiente através de uma conexão direta de volta ao aterramento do chassis ou do sistema. É importante determinar onde os surtos de energia serão dissipados ao projetar seu sistema e determinar a topologia do layout do seu PCB.

Quais Sistemas Precisam de Proteção Contra Surtos?

Nem todas as PCBs farão parte de um sistema que será exposto a altas tensões ou eventos de ESD. Existem padrões EMC que se aplicam a eletrônicos de uso geral; estes são especificados pela FCC/CE nos EUA e Europa, mas existem outros adequados para diferentes países. Outros grupos da indústria e agências governamentais especificaram certos requisitos de ESD para eletrônicos em diferentes indústrias ou ambientes de aplicação, tais como:

• MIL‑STD‑1686
• Padrões ANSI
• Padrões ISO
• Padrões IEC
• Padrões DO-160
• Testes SAE J
• Padrões FAA

Estes grupos de padrões cobrem sistemas desde equipamentos de escritório comerciais até militares, automotivos, aeronáuticos e dispositivos médicos. Instalações de teste especializadas oferecerão serviços de verificação de conformidade contra esses grupos de padrões. Esses padrões fazem parte de um teste e conformidade EMC mais amplos, certifique-se de entender as melhores estratégias para implementar proteção contra ESD.

• Saiba mais sobre a conformidade EMC

Não importa quais componentes de proteção contra surtos você escolha para a sua PCB, você precisará trabalhar com um software de design que facilite encontrar, colocar e rotear esses componentes. Sempre que precisar encontrar componentes de proteção contra surtos para a sua placa, use as ferramentas CAD no Altium Designer^®. Quando você terminar o seu design e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365^™ facilita a colaboração e o compartilhamento dos seus projetos.

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