Защита печатных плат от перенапряжений: Проектирование вашей печатной платы для подавления переходных напряжений

Электронные системы в промышленных условиях, на борту самолетов, в системах распределения электроэнергии и во многих потребительских продуктах могут подвергаться риску возникновения перенапряжений. Когда происходит скачок напряжения, большой всплеск тока распространяется по плате через электрическое соединение или другой коннектор, вызывая повреждение компонентов и потенциально приводя к отказу системы. Связанным явлением является электростатический разряд (ESD), который по сути создает тот же эффект, но имеет другую первопричину.

Для предотвращения этих опасностей в типичных рабочих сценариях были разработаны множество отраслевых стандартов, определяющих требования к безопасности и устойчивости к кратковременным перенапряжениям. Защита от перенапряжений и защита от ESD также являются важной частью прохождения тестирования на электромагнитную совместимость (EMC). Существует три уровня, на которых можно решить проблему подавления переходных напряжений, возникающих в результате перенапряжений:

• В дизайне корпуса
• На печатной плате с правильной стратегией заземления
• С помощью компонентов, отводящих или поглощающих переходные напряжения

В этом руководстве мы включили множество ресурсов, которые описывают выбор компонентов, размещение и практику заземления для обеспечения максимальной защиты от ESD в PCBA. Эти три области можно решить с помощью инструментов размещения и функций выбора компонентов, найденных в Altium Designer, лучшем в отрасли программном обеспечении для проектирования печатных плат.

Стратегии защиты печатных плат от перенапряжений

Если вы используете сетевые фильтры для домашней электроники, то вы уже знакомы с защитой от перенапряжений, которую они предоставляют. В случае удара молнии, скачка напряжения в сети, короткого замыкания в домашней электропроводке, устройство защиты от перенапряжений будет действовать как подавитель напряжения и снизит переходные процессы, получаемые на входе питания. Защита от перенапряжений сосредоточена на отводе, поглощении или полном блокировании переходных токов различной скорости нарастания и пиковых напряжений.

Выбор компонентов для подавления переходных напряжений

Переходные напряжения возникают в электронике двумя способами: как скачки напряжения на шинах питания и от событий электростатического разряда (ESD), которые вводят импульс в линии питания или данных. Таким образом, некоторые компоненты могут защищать как от ESD, так и от скачков напряжения. Для выбора этих компонентов важны две характеристики:

• Время отклика
• Напряжение, ток и/или мощность, которые компонент может выдержать

Существует множество вариантов компонентов для подавления переходных напряжений и защиты от скачков напряжения. Эти компоненты обеспечивают защиту в различных диапазонах и при различных скоростях нарастания переходных процессов, и их можно комбинировать в каскадной конфигурации для обеспечения максимальной защиты электронных устройств.

Уровень защиты, предоставляемый этими компонентами, сильно различается, поэтому они были приблизительно классифицированы по диапазонам защиты, как показано в таблице выше. В таблице также указано, как эти элементы подключаются в схемах; пример с двунаправленными диодами TVS показан ниже.

Размещение устройств защиты от перенапряжений

Идеальное размещение компонентов защиты от перенапряжений - рядом с местом, где печатная плата может быть подвержена воздействию транзиентных событий. Компоненты защиты от перенапряжений должны взаимодействовать с входящим импульсом ЭСР до того, как импульс сможет повредить другие компоненты. Типичные места, где может произойти воздействие ЭСР, включают поверхности соединителей, открытые контакты, соединители питания/бочонка, кнопки и переключатели. Пример размещения показан ниже.

• Узнайте больше о размещении защитников от перенапряжений как шунтирующих элементов

Та же идея применима к устройствам защиты от перенапряжений, таким как автоматические выключатели, самовосстанавливающиеся предохранители, реле и газоразрядные трубки. Например, эти компоненты часто используются на основных входах питания, поэтому их следует размещать на печатной плате рядом с этим соединителем.

На печатной плате предпочтительно размещать диоды TVS, газоразрядные трубки или варисторы на оксиде металла как шунтирующий элемент через защищаемую линию. Это касается как сигнальных, так и линий питания. Изображение размещения на печатной плате ниже показывает размещение трех диодов TVS; два из них находятся на дифференциальной паре, а один - на линии шины питания, идущей от разъема USB-A.

Схема, показанная выше, иллюстрирует соединение между заземлением шасси и системным заземлением, последнее из которых используется для справки сигналов в линиях данных. Это соединение важно для защиты от электростатических разрядов, но обычно его не следует размещать у разъема. Вместо этого размещение этого соединения является важной частью стратегии заземления, которую конструкторы должны учитывать, если в системе присутствует заземление шасси.

Заземление

В то время как устройства защиты от перенапряжений, которые поглощают и/или обходят переходные процессы, важны для защиты устройств, лучшая стратегия защиты от перенапряжений и электростатических разрядов начинается с правильной стратегии заземления. Области заземления в проекте могут служить безопасным проводником для рассеивания токов от событий ESD. Плата печатной схемы, которая ожидает сильных переходных процессов или подключается к линейным напряжениям, должна иметь правильную стратегию заземления для защиты от ESD и неисправностей.

• Узнайте больше о типах заземлений в платах печатных схем

Соединение обратно с заземлением шасси и, в конечном итоге, с землей (при условии, что они присутствуют) может быть выполнено на плате. Это обеспечивает отличную защиту от ESD, особенно на металлизированных корпусах кабелей и экранированных кабелях. При защите от перенапряжений шунтирующий элемент может отвести переходной процесс через прямое соединение обратно к заземлению шасси или системе. Важно определить, где будут рассеиваться скачки напряжения при проектировании вашей системы и определении топологии вашей платы печатной схемы.

Каким системам нужна защита от перенапряжений?

Не все печатные платы будут частью системы, которая будет подвергаться воздействию высоких напряжений или событий электростатического разряда (ESD). Существуют стандарты EMC, которые применяются к электронике общего назначения; они указаны FCC/CE в США и Европе, но есть и другие, подходящие для разных стран. Другие отраслевые группы и государственные агентства определили определенные требования к ESD для электроники в различных отраслях или средах применения, такие как:

• MIL‑STD‑1686
• стандарты ANSI
• стандарты ISO
• стандарты IEC
• стандарты DO-160
• тесты SAE J
• стандарты FAA

Эти группы стандартов охватывают системы от коммерческого офисного оборудования до военной, автомобильной, авиационной и медицинской техники. Специализированные испытательные лаборатории предложат услуги по проверке соответствия этим группам стандартов. Эти стандарты являются частью более широкого тестирования и соответствия требованиям EMC, убедитесь, что вы понимаете лучшие стратегии внедрения защиты от ESD.

• Узнайте больше о соответствии требованиям EMC

Независимо от того, какие компоненты защиты от перенапряжений для печатных плат вы выберете, вам понадобится программное обеспечение для проектирования, которое упростит поиск, размещение и трассировку этих компонентов. Когда вам нужно найти компоненты защиты от перенапряжений для вашей платы, используйте инструменты CAD в Altium Designer^®. Когда вы закончите проектирование и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365^™ упрощает совместную работу и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.