Bảo vệ PCB khỏi Sóng Điện Áp: Thiết kế PCB của bạn để Chống Sóng Điện Áp Dư

Hệ thống điện tử trong môi trường công nghiệp, trên máy bay, trong phân phối điện và trong nhiều sản phẩm tiêu dùng có thể gặp rủi ro về sự cố sụt áp. Khi một sự cố sụt áp xảy ra, một đợt tăng đột biến của dòng điện lan truyền vào bảng mạch qua kết nối điện hoặc các kết nối khác, gây hại cho các linh kiện và có thể gây ra sự cố hệ thống. Một sự kiện liên quan là phóng điện tĩnh điện (ESD), về cơ bản tạo ra cùng một hiệu ứng nhưng với nguyên nhân gốc rễ khác nhau.

Để giải quyết những nguy hiểm này trong các tình huống hoạt động điển hình, nhiều tiêu chuẩn công nghiệp đã được phát triển để định nghĩa các yêu cầu về an toàn và khả năng chịu đựng tạm thời. Bảo vệ chống sụt áp và bảo vệ ESD cũng là một phần quan trọng của việc vượt qua kiểm tra EMC. Có ba cấp độ mà việc giảm áp tạm thời do sụt áp có thể được giải quyết:

• Trong thiết kế vỏ
• Trên PCB với chiến lược nối đất phù hợp
• Với các linh kiện chuyển hướng hoặc hấp thụ điện áp tạm thời

Trong hướng dẫn này, chúng tôi đã bao gồm nhiều nguồn tài nguyên mô tả việc lựa chọn linh kiện, đặt linh kiện, và thực hành nối đất để đảm bảo bảo vệ ESD tối đa trong một PCBA. Ba lĩnh vực này có thể được giải quyết với các công cụ bố trí và tính năng lựa chọn linh kiện tìm thấy trong Altium Designer, phần mềm thiết kế PCB tốt nhất của ngành.

Chiến lược Bảo vệ PCB Chống Sụt Áp

Nếu bạn sử dụng ổ cắm điện cho các thiết bị điện tử trong nhà, thì bạn đã biết về khả năng bảo vệ chống sự cố sụt áp mà chúng cung cấp. Trong trường hợp sét đánh, sự cố sụt áp trên đường dây chính, một sự cố chập điện trong hệ thống điện nhà bạn, một bộ bảo vệ sụt áp sẽ hoạt động như một thiết bị giảm áp và làm giảm điện áp đột biến nhận được tại nguồn điện. Bảo vệ chống sụt áp tập trung vào việc chuyển hướng, hấp thụ, hoặc hoàn toàn chặn các dòng điện đột biến với các tốc độ biên khác nhau và điện áp đỉnh.

Chọn Lựa Các Linh Kiện Giảm Áp Điện Áp Đột Biến

Điện áp đột biến xuất hiện trong điện tử theo hai cách: như sự cố sụt áp trên đường dây bus điện và từ các sự kiện phóng điện tĩnh (ESD) gây ra một xung vào đường dây điện hoặc dữ liệu. Do đó, một số linh kiện có thể bảo vệ chống lại cả ESD và sụt áp. Có hai thông số quan trọng khi chọn các linh kiện này:

• Thời gian phản ứng
• Điện áp, dòng điện, và/hoặc công suất chịu đựng

Có nhiều lựa chọn cho các linh kiện giảm áp điện áp đột biến và bảo vệ chống sụt áp. Những linh kiện này cung cấp bảo vệ chống sụt áp trong các phạm vi khác nhau và tốc độ biên đột biến, và chúng có thể được kết hợp trong một cấu hình nối tiếp để cung cấp bảo vệ tối đa cho các thiết bị điện tử.

Mức độ bảo vệ do các thành phần này cung cấp có sự khác biệt rộng lớn, do đó chúng đã được phân loại một cách đại khái vào các phạm vi bảo vệ như được hiển thị trong bảng trên. Bảng cũng liệt kê cách chúng được kết nối trong mạch; một ví dụ với diode TVS hai chiều được hiển thị bên dưới.

Vị trí đặt Thiết bị Bảo vệ Sự Cố Điện Áp

Vị trí lý tưởng để đặt các thành phần bảo vệ sự cố điện áp là gần nơi mà một PCB có thể bị phơi bày với sự kiện xung đột. Các thành phần bảo vệ sự cố điện áp nên tương tác với xung ESD đến trước khi xung có cơ hội gây hại cho bất kỳ thành phần nào khác. Các khu vực điển hình nơi có thể xảy ra phơi bày ESD bao gồm bề mặt kết nối, chân tiếp xúc lộ ra, kết nối điện/nắp, nút và công tắc. Một ví dụ về vị trí đặt được hiển thị bên dưới.

• Tìm hiểu thêm về vị trí đặt bảo vệ sự cố điện áp là thành phần song song

Ý tưởng tương tự cũng được áp dụng cho các thiết bị bảo vệ quá dòng như cầu dao tự động, cầu chì có thể tái sử dụng, rơ le và ống phóng điện khí. Ví dụ, những linh kiện này thường được sử dụng ở nguồn điện chính, vì vậy chúng nên được đặt gần bộ kết nối trên PCB.

Trên PCB, nên đặt diode TVS, ống phóng điện khí, hoặc varistor oxit kim loại như một phần tử shunt qua dòng được bảo vệ. Điều này áp dụng cho cả dòng tín hiệu và dòng điện. Hình ảnh bố trí PCB dưới đây cho thấy vị trí đặt ba diode TVS; hai cái trên một cặp vi sai và một cái trên dòng điện bus từ một kết nối USB-A.

Sơ đồ được hiển thị ở trên minh họa một kết nối giữa GND vỏ máy và GND hệ thống, cái sau được sử dụng để tham chiếu tín hiệu trong các dòng dữ liệu. Kết nối này quan trọng cho bảo vệ ESD nhưng nói chung không nên được đặt tại bộ kết nối. Thay vào đó, việc đặt kết nối này là một phần quan trọng của chiến lược nối đất mà các nhà thiết kế phải xem xét nếu một GND vỏ máy có mặt trong hệ thống.

Nối đất

Trong khi các thiết bị bảo vệ chống sét có khả năng hấp thụ và/hoặc chuyển hướng các xung đột biến là quan trọng để bảo vệ thiết bị, chiến lược tốt nhất cho bảo vệ chống sét và ESD bắt đầu với chiến lược nối đất đúng đắn. Các khu vực nối đất trong một thiết kế có thể hoạt động như một dẫn điện an toàn để phân tán dòng điện từ các sự kiện ESD. Một bố cục PCB dự kiến sẽ nhận được các xung đột biến mạnh hoặc kết nối với điện áp dòng điện nên có chiến lược nối đất đúng đắn để bảo vệ chống lại ESD và lỗi.

• Tìm hiểu thêm về các loại nối đất trong bố cục PCB

Một kết nối trở lại với nối đất khung máy và cuối cùng là nối đất (giả sử chúng có mặt) có thể được thực hiện trên bảng mạch. Điều này cung cấp bảo vệ ESD xuất sắc, đặc biệt là trên các vỏ cáp kim loại và cáp có lớp chắn. Với bảo vệ chống sét, một yếu tố shunt có thể chuyển hướng một xung đột biến thông qua một kết nối trực tiếp trở lại với nối đất khung máy hoặc nối đất hệ thống. Điều quan trọng là phải xác định nơi các xung điện sẽ được phân tán khi thiết kế hệ thống và xác định topologi bố cục PCB của bạn.

Những Hệ Thống Nào Cần Bảo Vệ Chống Sét?

Không phải tất cả các PCB đều sẽ là một phần của hệ thống tiếp xúc với điện áp cao hoặc sự kiện ESD. Có các tiêu chuẩn EMC áp dụng cho điện tử dùng chung; chúng được quy định bởi FCC/CE ở Mỹ và Châu Âu, nhưng cũng có các tiêu chuẩn khác phù hợp với các quốc gia khác nhau. Các nhóm ngành và cơ quan chính phủ đã quy định một số yêu cầu ESD cụ thể cho điện tử trong các ngành công nghiệp khác nhau hoặc môi trường ứng dụng, như:

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

Nhóm tiêu chuẩn này bao gồm các hệ thống từ thiết bị văn phòng thương mại đến quân sự, ô tô, máy bay và thiết bị y tế. Các cơ sở kiểm định chuyên biệt sẽ cung cấp dịch vụ xác minh tuân thủ đối với các nhóm tiêu chuẩn này. Các tiêu chuẩn này là một phần của kiểm tra và tuân thủ EMC rộng lớn hơn, hãy chắc chắn bạn hiểu các chiến lược tốt nhất để triển khai bảo vệ ESD.

• Tìm hiểu thêm về tuân thủ EMC

Dù bạn chọn linh kiện bảo vệ mạch in PCB nào để chống sự tăng áp, bạn cũng cần phải sử dụng phần mềm thiết kế giúp việc tìm kiếm, đặt và định tuyến những linh kiện này trở nên dễ dàng. Bất cứ khi nào bạn cần tìm linh kiện bảo vệ PCB chống tăng áp cho bảng mạch của mình, hãy sử dụng công cụ CAD trong Altium Designer^®. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các file cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365^™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.