Bảo vệ chống sét nội bộ so với ngoại vi: Lựa chọn nào tốt nhất cho sự bảo vệ toàn diện của PCB

Khi chúng ta xem xét các biện pháp bảo vệ chống lại sự tăng vọt và biến động nguồn điện, diode TVS nhận được phần lớn sự chú ý. Không có gì sai với diode TVS vì chúng là thành phần tuyệt vời với chi phí thấp, không gian nhỏ, giúp bảo vệ thiết bị khỏi sự tăng vọt và sự kiện ESD. Tuy nhiên, những diode này không phải là lựa chọn duy nhất để xử lý sự tăng vọt nguồn điện. Thay vào đó, có các thành phần có thể được sử dụng trên và ngoài PCB như một phần của chiến lược toàn diện để chống chịu sự tăng vọt và biến động nguồn điện.

Loại Bảo Vệ Tăng Vọt Nào Là Cần Thiết?

Bảo vệ tăng vọt là cần thiết khi có nguy cơ xảy ra sự tăng vọt nguồn điện trên đầu vào nguồn chính vào thiết bị. Có các yêu cầu trong quy định EMC và tiêu chuẩn ngành đối với sản phẩm cụ thể, yêu cầu phải đặt các thành phần và mạch bảo vệ tăng vọt. Mức độ bảo vệ tăng vọt phụ thuộc vào mức độ tăng vọt nguồn điện và dòng điện đột biến dự kiến sẽ xảy ra trong sự kiện. Nếu thiết kế theo một tiêu chuẩn cụ thể, giá trị tối thiểu được nêu trong tiêu chuẩn nên hướng dẫn thiết kế và có thể quyết định lựa chọn thành phần.

Bảo vệ chống sụt áp có thể được tìm thấy bên trong PCB dưới dạng một bộ linh kiện, hoặc bên ngoài bảng mạch dưới dạng một mô-đun đã được đóng gói sẵn. Phương án sau thường phổ biến hơn đối với các thiết bị kết nối trực tiếp với nguồn điện chính (không qua nguồn cấp điện trung gian) ở điện áp rất cao. Những linh kiện này thường quá lớn để gắn vừa vào một PCB. Các linh kiện trên bo mạch cũng nên được sử dụng tại các vị trí cụ thể, ngay cả khi một linh kiện bên ngoài là cần thiết cho hệ thống hoạt động. Cùng nhau, chúng cho phép hệ thống chịu đựng được các sự kiện chuyển mạch với các độ lớn khác nhau có thể liên quan đến các đợt sụt áp mạnh.

Bảo vệ Chống Sụt Áp Nội Bộ (Trên Bo)

Điện Trở Hạn Chế Dòng Khởi Động - Sụt áp và việc bật nguồn từ AC chính nói chung, có thể cho phép dòng khởi động có thể làm hỏng thiết bị trong giai đoạn khởi động ban đầu. Dòng khởi động có thể được giảm bớt và làm dịu với một điện trở cố định. Để kích thước một điện trở hạn chế dòng, sử dụng dòng điện tối đa bạn có thể mong đợi tại dòng khởi động và điện áp đầu vào cao nhất để tính toán công suất của điện trở. Sau đó, điện trở được tính toán sử dụng những giá trị đó theo định luật Ohm. Điều này sẽ cho phép giới hạn dòng khởi động đặt dòng điện ở mức cần thiết mà không bị cháy trong giai đoạn khởi động.

Varistor - Varistor là các điện trở điều khiển điện áp không tuyến tính. Nói cách khác, chúng là các linh kiện có điện trở DC phụ thuộc vào điện áp đầu vào mà chúng nhận được. Các linh kiện này hoạt động tương tự như diode khi ban đầu chúng có điện trở cao, nhưng khi vượt qua một ngưỡng điện áp làm việc nào đó, điện trở của chúng có thể giảm. Điều này cho phép chúng giảm bớt độ lớn của sự kiện quá điện áp bằng cách giảm bớt sự dâng trào công suất trong quá trình tăng nhanh. Các linh kiện này được xây dựng trên các vật liệu bán dẫn phổ biến, hoặc chúng có thể là varistor oxit kim loại (MOVs).

Ống Phóng Điện Khí - Các linh kiện này được đặt qua các đầu vào nguồn điện. Chúng có thể cung cấp bảo vệ điện áp xung cao rất tốt khi được đặt trước các diode TVS hai chiều/một chiều trên chân linh kiện. Trong cấu hình này, một ống phóng điện khí sẽ nhắm vào các xung điện áp cao hơn và sự dâng trào công suất, trong khi phần xung điện áp chậm hơn/thấp hơn sẽ được xử lý bằng các diode TVS. Các ống phóng điện khí nhỏ hơn là linh kiện điển hình được sử dụng trong các bộ bảo vệ sự dâng trào cho dải nguồn AC và nguồn cấp điện.

Thermistor NTC - Một thermistor hệ số nhiệt độ âm (NTC) có thể được sử dụng như một cảm biến hoặc như một bộ bảo vệ chống sụt áp. Linh kiện này trải qua sự giảm điện trở khi nhiệt độ tăng lên. Điều này có nghĩa là, khi một sự cố sụt áp xảy ra và dòng điện bắt đầu tăng đột biến, một lượng năng lượng ban đầu sẽ bị rơi qua thermistor và được chuyển hóa thành nhiệt. Điện trở của thermistor sau đó giảm xuống và cho phép phần còn lại của năng lượng truyền xuống thành phần bảo vệ chống sụt áp khác, thường là diode TVS. Chúng đôi khi được sử dụng song song với một ống phóng điện khí.

Diode TVS - Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, tôi đã bao gồm diode TVS. Đây là nguồn chọn lựa hàng đầu cho bảo vệ chống sụt áp trên cả các bus điện áp thấp và đường truyền dữ liệu. Trên các bus điện áp thấp, như dòng +5 V đến từ một cổng USB, các diode TVS nhỏ có thể được chọn để cung cấp bảo vệ quá điện áp rất tinh tế có thể xử lý các sụt áp mạnh và biến thiên nhanh. Để tìm hiểu thêm về cách sử dụng diode TVS, đọc bài viết này.

Cầu dao gắn PCB - Cuối cùng, có các loại cầu dao mini có thể được gắn trên PCB, thường là các thành phần qua lỗ. Những cầu dao này có thể có dòng điện định mức cao (hàng chục Amp); chúng thường có kích thước cao và nên được gắn ở mép để tiếp cận công tắc cầu dao. Những thiết bị này hoạt động giống như các đối tác được gắn trong tủ/ hộp.

Bảo vệ quá áp bên ngoài

Các thiết bị bên ngoài có thể được sử dụng để bảo vệ quá áp bao gồm các mô-đun thực hiện các chức năng trên, cũng như cầu dao. Những thành phần này có thể được gắn trong tủ, hoặc được gắn trên giá hoặc tủ, đơn giản vì chúng quá lớn để gắn trực tiếp lên PCB. Những thành phần này sau đó có thể kết nối với các cọc vít lớn trên PCB thông qua dây dẫn có đường kính nhỏ, tùy thuộc vào dòng điện liên quan. Những thành phần này thường được sử dụng với điện áp dòng AC và/hoặc điện áp DC cao, như bộ giảm áp quá áp Allen-Bradley được hiển thị bên dưới.

Liệu có đáng trả thêm tiền cho một Bộ giảm áp quá áp bên ngoài?

Câu trả lời cho câu hỏi này phụ thuộc vào nơi mà thiết bị được triển khai. Những bộ giảm xung này rất có thể sẽ được sử dụng trong các hệ thống lớn như bạn thấy trong môi trường công nghiệp, hàng hải (các tàu lớn), và thậm chí trong máy bay. Đối với những triển khai và hệ thống cực kỳ bảo thủ, cần phải có thời gian hoạt động cao nhất có thể và chịu được các xung lớn, việc sử dụng bộ giảm xung bên ngoài là đáng giá với chi phí linh kiện thêm vào.

Dù bạn sử dụng bộ giảm xung bên ngoài, các linh kiện trên bo mạch cũng nên được bao gồm. Tổng chi phí liên quan đến việc lắp đặt những linh kiện này trong thiết kế là tối thiểu, ngay cả khi tất cả các biện pháp phòng ngừa trên đều được thực hiện. Tất cả các linh kiện này cùng nhau bảo vệ chống lại một loạt các lỗi, xung và biến áp trong toàn bộ hệ thống, không chỉ là xung điện tại điểm kết nối chính hoặc nguồn cấp điện.

Khi bạn sẵn sàng tạo ra mạch bảo vệ chống xung và BOM cho hệ thống của mình, hãy chắc chắn bạn sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB đầy đủ trong Altium Designer^®. Altium Designer là nền tảng CAD hàng đầu của ngành công nghiệp cung cấp công cụ thiết kế mạch, mô phỏng và tìm nguồn linh kiện ngay trong ứng dụng. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365^™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng tôi 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.