Un transceptor torna del camp amb un forat on abans hi havia el controlador de línia. El client diu que li va caure un llamp a prop, no un impacte directe. Proves el circuit integrat per si sol i supera totes les comprovacions. La causa real és en un altre lloc: el protector de sobretensió es va connectar massa lentament, els seus cables eren massa llargs i el camí de tornada a terra no es va dissenyar mai. La peça va fer la seva feina. El sistema no.
La supressió de sobretensions i la connexió a terra són feina teva com a dissenyador, no del proveïdor del circuit integrat. Si les saltes, tindràs cicles RMA, fallades repetides de camp i riscos de seguretat. Aleshores, com carrega la tensió transitòria una unió segons la norma IEC 61000-4-5? Per què han de funcionar juntes les etapes de protecció? On pertany un dispositiu de protecció contra sobretensions i com decideixen la connexió a terra i el disseny si la protecció contra llamps/sobretensions funciona?
Sortides de claus
Primer, descobreix el teu entorn de sobretensió i els nivells de prova. Això guiarà cada decisió que prenguis més endavant.
Feu que les etapes de protecció treballin juntes. Afegiu impedància entre elles perquè comparteixin l'energia de sobretensió.
Mantingueu els cables del protector de sobretensions curts i rectes. Els cables llargs fan que el voltatge addicional sigui més alt.
Planifiqueu el camí a terra abans de col·locar la placa. Un camí de terra curt amb baixa inductància fa que la protecció funcioni.
Seguiu les normes de línia de fuita, distància lliure i DFM . Aquestes normes impedeixen que els transitoris saltin a través de buits.
Amenaces de pujada a nivell de junta directiva
Nivells de prova de la norma IEC 61000-4-5
La norma IEC 61000-4-5 estableix les formes d'ona de sobretensió per a les quals dissenyeu. El generador d'ones combinades és la font més comuna. Envia una tensió de circuit obert d'1.2/50 µs i un corrent de curtcircuit de 8/20 µs, per la qual cosa els enginyers l'anomenen sobretensió "d'1.2/50-8/20 µs". La seva impedància de sortida efectiva és de 2 Ω, que és la relació entre la tensió màxima de circuit obert i el corrent màxim de curtcircuit. Els equips de telecomunicacions exteriors s'enfronten a un generador d'energia més alta, amb una ona de voltatge de 10/700 µs i una ona de corrent de 5/320 µs.
Conjunt de formes d'ona | Forma d'ona de voltatge | Forma d'ona actual | Aplicació típica |
|---|---|---|---|
Onada combinada | 1.2 µs / 50 µs | 8 µs / 20 µs | La majoria de les aplicacions |
Generador d'energia més alta | 10 µs / 700 µs | 5 µs / 320 µs | Xarxes de telecomunicacions a l'aire lliure |
El temps frontal i la durada són paràmetres virtuals, no simples temps de pujada. Per al voltatge en circuit obert, el temps frontal és igual a 1.67 vegades el temps de pujada del 30% al 90%. Feu coincidir l'estàndard del vostre producte amb un nivell de prova abans de triar les peces. La impedància del generador us indica quant de corrent un voltatge determinat impulsa a la vostra placa.
Com sobretensions de tensió a les unions de semiconductors
Una sobretensió de llamp o de commutació arriba a la placa de dues maneres. La tensió transitòria de mode comú empeny el corrent a través del cable d'interfície i torna a través de la terra. La tensió transitòria de mode diferencial apareix a través del mateix parell de senyals. Ambdues s'acoblen en traces com a sobretensions i pics elèctrics, i totes dues arriben primer a la unió més feble.
Les unions de semiconductors fallen primer perquè amunteguen el corrent en un volum minúscul. Un voltatge transitori que passa per la regió de ruptura inversa aboca energia a una petita àrea de silici. A continuació, s'escalfa localment i la unió entra en curtcircuit. És per això que un protector de sobretensió al connector és més important que un circuit integrat robust. La pinça ha de desviar l'energia abans que arribi al dau.
Primer definiu l'entorn de sobretensió i el nivell de prova. Cada elecció posterior, des de l'etapa de protecció contra sobretensions fins al disseny, depèn d'aquest número.
Arquitectura de supressió de sobretensions per etapes
Un dispositiu no pot absorbir una sobrecàrrega de llamp i, alhora, quedar-se ben fixat al circuit integrat. Cal un sistema de protecció per etapes. Cada etapa gestiona l'energia que li pertoca i les etapes comparteixen la tensió.
Coordinació de MOV, GDT i díodes TVS
El model de tres etapes col·loca un tub de descàrrega de gas (GDT) a l'entrada de servei, un varistor d'òxid metàl·lic (MOV) al mig i un díode de supressió de tensió transitòria (TVS) a prop del circuit protegit. Una etapa de protecció contra sobretensions a l'entrada de servei desvia el corrent continu. L'etapa intermèdia absorbeix el que passa. L'etapa final bloqueja la tensió residual al pin del circuit integrat.
Paràmetre | GDT | MOV | Díode TVS |
|---|---|---|---|
Velocitat de resposta | 100 ns – 1 µs | 1-25 ns | Subnanosegons |
Manipulació de corrents de sobretensió | 5 – 100 kA | 500 A – 40 kA | 10 - 500 A |
Absorció d'energia | Alt (kJ via arc) | 10 J – 2 kJ | 0.1 – 50 J |
Comportament de subjecció | Crowbar | Relació de subjecció moderada | Relació de subjecció ajustada |
La coordinació depèn del desacoblament de la impedància entre les etapes. Afegiu inductància o resistència perquè l'energia de sobretensió es propagui per la cadena. Sense això, el dispositiu més ràpid s'activa primer i absorbeix tot l'esdeveniment. Un TVS limita el sobrepassament en picosegons. L'augment de voltatge a través de la impedància en sèrie activa el MOV en nanosegons. El corrent extrem encén l'arc GDT en centenars de nanosegons i aboca desenes de quiloamperes a terra.
Comportament de subjecció versus palanca
Un varistor d'òxid metàl·lic i una pinça supressora de tensió transitòria. Mantenen la tensió a un nivell definit i dissipen l'energia ells mateixos. Un GDT i una palanca SIDACtor. Es trenquen i després es tanquen en un estat conductor de baixa tensió.
La baixa tensió de manteniment d'una palanca li permet transportar un corrent de falla més alt amb poca dissipació de potència, de manera que pot suportar corrents més alts durant períodes més llargs que una pinça.
Aquesta força ve amb una condició. La palanca es manté enganxada tret que el circuit elimini el corrent de seguiment. Heu d'afegir un fusible, un PTC o una impedància de font que limiti el corrent per sota del nivell de retenció. Verifiqueu aquesta eliminació a través de temperatures extremes. Un dispositiu de subjecció no necessita eliminació, però es carrega a si mateix en cada esdeveniment. Els MOV es degraden després de cops repetits. Els díodes TVS duren més que ells però gestionen molta menys energia.
Els fusibles de reserva protegeixen contra un protector contra sobretensions en curtcircuit. Calculeu la mida del fusible per sobre del corrent de funcionament normal i per sota de la capacitat de corrent de fallada del dispositiu. Comproveu el mode de fallada de cada peça. Un MOV o TVS en curtcircuit normalment significa que la sobretensió ha superat la seva capacitat nominal. Un corrent de fuita elevat apunta a una degradació per sobretensions repetides. Les fallades repetides signifiquen que heu triat un dispositiu massa petit. Els errors de comunicació a les línies de dades sovint es deriven d'una peça d'alta capacitat. Una mala col·locació lluny del connector també debilita qualsevol esquema de supressió i filtratge de sobretensions.
Selecció d'un dispositiu de protecció contra sobretensions
Dimensionament i voltatge de subjecció
Comenceu amb la tensió de separació. La tensió de separació inversa ha de ser superior a la tensió de línia normal més alta. Això inclou la tolerància de subministrament, l'ondulació, el sobreeiximent i els canvis de temperatura. Un rail de 5 V pot arribar a 5.25 V o 5.5 V durant el funcionament normal, de manera que una separació de 5 V pot tenir fuites o activar-se en un ús normal. No confongueu la tensió de ruptura amb la tensió de separació. Es promet una baixa fuita a la classificació de separació, no al punt de ruptura.
Paràmetre | Significat | Regla de selecció |
|---|---|---|
Tensió de separació inversa | Tensió contínua més alta amb fuites baixes especificades | Ha de ser superior a la tensió de línia màxima vàlida |
Tensió de fixació | Voltatge a través del dispositiu durant un pols definit | Ha de romandre per sota del límit transitori segur del circuit protegit |
Corrent màxim d'impuls | Corrent màxim d'impuls per a una forma d'ona determinada | Ha de superar el corrent transitori esperat |
Potència màxima d'impuls | Potència màxima d'impulsos de curta durada | Ha de superar la potència d'impuls calculada amb desvalorització reduïda |
A continuació, calculeu el corrent de sobretensió i comproveu la pinça. Per a una entrada industrial de 24 V, funciona un separador de 33 V. Amb una font de 1000 V, una pinça de 54 V i una resistència de font de 42 Ω, el corrent d'impuls de 8/20 µs és d'uns 22.5 A. Si el circuit protegit pot suportar 60 V, aquesta pinça de 54 V només deixa 6 V de marge abans de la sobrecàrrega de la PCB. No ignoreu mai la tensió de subjecció. Un díode pot sobreviure a l'impuls, però encara deixar passar prou tensió transitòria per danyar el circuit integrat protegit.
No trieu una tensió de separació només del rail nominal. Assegureu-vos que la forma d'ona de la fitxa tècnica coincideixi amb l'amenaça esperada i apliqueu la reducció de temperatura a la potència màxima d'impuls.
Col·locació i longitud del cable
Col·loqueu el dispositiu de protecció contra sobretensions al connector, abans que la traça vagi a qualsevol altre lloc. Els cables de connexió llargs afegeixen impedància i caiguda de tensió inductiva. Quan flueix un corrent transitori d'alta freqüència, aquesta impedància augmenta la tensió de subjecció restant que arriba a l'equip aigües avall. El nivell de protecció baixa i les càrregues sensibles veuen tensions per sobre del seu rang de resistència a impulsos.
Mantingueu els cables curts, rectes i directes. La longitud màxima recomanada del cable entre el paracaigudes i la xarxa elèctrica o la presa de terra és de 0.5 metres, sovint anomenada la regla dels 50 centímetres. Els cables entre el paracaigudes i l'equip no han de superar els 10 metres. Més enllà d'això, afegiu un segon protector de sobretensions coordinat més a prop de l'equip.
La longitud del cable per connectar el parafocus als terminals de l'equip i a terra s'ha de minimitzar i s'ha d'instal·lar el més recte possible, minimitzant les corbes.
Les restriccions DFM influeixen en l'elecció aquí. Els paquets supressors de tensió transitòria de pas fi limiten la mida del pad i la distància entre els separadors. Col·loqueu la peça al costat d'entrada de sobretensions de qualsevol divisió i manteniu la ruta de retorn a la mateixa capa. Un dispositiu de protecció contra sobretensions llistat i correctament classificat encara falla si la casa de muntatge no pot mantenir la geometria del pad.
Disseny de posada a terra per a la protecció contra sobretensions
Terra de protecció versus terra de senyal
La terra de protecció i la terra de senyal fan funcions diferents. La terra de protecció transporta el corrent de fallada i manté el xassís al potencial de terra. D'aquesta manera, una persona que toqui la carcassa es manté segura. La terra de senyal és la referència per al vostre circuit. Pot estar a qualsevol voltatge en comparació amb el xassís. Tracteu-les com a xarxes separades fins que decidiu on es troben.
Aspecte | Direcció |
|---|---|
Terra de senyal vs. terra del xassís | La terra del circuit no ha de connectar-se necessàriament a la terra del xassís. En un dispositiu alimentat per USB, el cable GND va a la terra del circuit i el blindatge va al xassís. |
Unió puntual | Connecteu la presa de terra del circuit al xassís només en un punt. |
enllaç d'alta freqüència | Afegiu un petit condensador d'uns quants centenars de pF des del circuit GND fins al blindatge per derivar el soroll d'alta freqüència. |
Maneig de l'escut | Mantingueu el blindatge i el retorn del senyal com a punts separats. Un blindatge bloqueja els camps i no hauria de transportar corrent tret que el dissenyeu per a això. |
Soroll i bucles | Separar la referència del circuit del blindatge separa els camins de soroll dels camins de retorn del senyal. Això evita bucles de terra, oscil·lació i brunzit de subministrament. |
Connecteu el xassís a la terra del senyal en un punt i, a continuació, afegiu el condensador petit per al retorn d'alta freqüència. Això manté la connexió de seguretat sòlida i dóna al soroll un recorregut curt a alta freqüència.
Connexió a terra d'un sol punt, multipunt i híbrida
La connexió a terra d'un sol punt connecta cada retorn a un node comú. Limita els bucles de terra i manté totes les parts a un potencial comú durant una tempesta elèctrica. Deixa de funcionar per sobre dels 10 MHz aproximadament, on els conductors llargs actuen com a antenes. La connexió a terra multipunt proporciona als corrents de terra molts camins i iguala els potencials. També afavoreix els bucles i el corrent de dispersió a través de l'acer de l'edifici. La connexió a terra híbrida combina tots dos: una xarxa troncal d'un sol punt amb subsistemes multipunt.
Per a circuits que operen entre 1 MHz i 30 MHz, s'utilitza un mètode híbrid. Si la longitud del cable de terra és inferior a 1/20 de la longitud d'ona del senyal de funcionament, utilitzeu una connexió a terra d'un sol punt. En cas contrari, utilitzeu una connexió a terra multipunt.
Planifiqueu les divisions i les unions del pla de terra tenint en compte el corrent de retorn. Una divisió sota un senyal força el desviament del corrent de retorn i aquest bucle irradia. Uniu la divisió amb condensadors o un pont estret per on ha de creuar un senyal. Dissenyeu la connexió a terra per al dispositiu de protecció contra sobretensions i l'equip protegit junts. El protector contra sobretensions necessita una via curta i de baixa inductància a terra. L'equip necessita la seva pròpia referència. Feu passar el conductor de terra des dels dispositius de protecció contra sobretensions fins a un punt de terra comú i manteniu aquest conductor separat dels retorns del senyal. Connecteu els conductors de fase, neutre i de terra de l'equip a l'entrada de servei tal com requereix el vostre codi local. A continuació, connecteu a terra els supressors en aquest mateix punt. Un cable de terra llarg i compartit augmenta la tensió transitòria a cada etapa i anul·la la coordinació que heu construït. Una protecció eficaç contra llamps depèn d'aquesta referència de terra compartida, no només del supressor. Primer encamineu el retorn del supressor de sobretensions i, a continuació, col·loqueu les connexions de terra del senyal al seu voltant.
Tècniques de disseny i aïllament de PCB
Llunyania, separació i ranura
La línia de fuita és el camí al llarg de la superfície entre dos conductors. La separació de l'aire és l'espai en línia recta a través de l'aire. Un voltatge transitori saltarà a través de qualsevol dels dos si la distància és massa curta. Talleu una ranura entre els pads d'alt voltatge i fareu que el camí de la superfície sigui més llarg. Una ranura d'1 mm d'amplada entre els pads gairebé pot duplicar la longitud del camí de la superfície. Això redueix dràsticament la possibilitat de rastreig o arc. Una ranura de 2 mm d'amplada afegeix diversos mil·límetres al camí de fuita sense fer que la placa sigui més gran.
Feu servir ranures i barreres físiques quan la mida de la placa dificulti mantenir les grans distàncies de filtració. Un convertidor compacte de 800 V pot complir el seu espaiament amb una ranura d'1 mm més un bon material aïllant. Un controlador de motor industrial a 1200 V (grau de contaminació 2, IPC-2221, material del Grup II) combina una ranura amb un recobriment conformal per passar per una placa petita. Eviteu girs i vores pronunciades de les traces, ja que aglomeren el camp elèctric. Manteniu les traces de voltatge molt alt allunyades de les capes internes. Qualsevol patró metàl·lic amb una vora afilada pot augmentar el camp a través d'un aïllant i provocar una flamejada.
Inductances de mode comú, condensadors Y i barreres d'aïllament
Una bobina de mode comú bloqueja el soroll que és comú a dues o més línies elèctriques. Els seus debanaments oposats cancel·len el corrent diferencial i mostren una alta impedància al soroll de mode comú. Col·loqueu-la a prop de l'entrada de la xarxa i coordineu-la amb els condensadors X i Y i l'etapa de protecció contra sobretensions. Els condensadors Y deriven el soroll de mode comú a terra. Els condensadors X filtren el soroll de mode diferencial a través de la línia i el neutre. Juntament amb el díode de supressió de tensió transitòria i altres dispositius de protecció contra sobretensions, aquestes parts formen els filtres de supressió de sobretensions i d'alta freqüència que mantenen la tensió transitòria restant fora del circuit integrat.
Una bobina de ferrita se satura. Una sobretensió de mode comú d'alta energia pot saturar el nucli i passar-lo directament. Dissenyeu una protecció contra sobretensions separada a més de la bobina, i no tracteu mai la bobina com a supressor de sobretensions. Classifiqueu els condensadors Y segons la seva classe nominal segons la norma IEC 60384-14 i confirmeu que la peça suporti la tensió màxima objectiu.
El DFM dóna forma a tot això. El coure es troba a uns 0.3–0.4 mm del contorn per a les regles de fabricació, però la fluència recorre la vora fins al xassís. Una ranura d'aïllament no es pot xapar i el fresat necessita aproximadament 1.0–1.5 mm, de manera que el camí elèctric ha de deixar de banda els extrems de la ranura. El flux i les boles de soldadura a la zona d'aïllament actuen com a contaminació instal·lada. Tracteu aquesta corretja com una barrera per a peces, vies, seda i punts de prova. No reduïu la fluència en CAD partint de la suposició de recobriment, tret que ho especifiqueu i ho inspeccioneu.
Àrea de restricció | Compromis de fabricació |
|---|---|
Fuga de vora de la placa | El recol·lector de coure deixa un camí al voltant de la vora fins al xassís |
Ranura d'aïllament | No es pot xapar; l'amplada del fresat força el camí al voltant dels extrems de les ranures |
Vies al llarg de la barrera | La màscara estreta cobreix les costures coixinet a coixinet a la superfície |
Residu de muntatge | El flux i les boles de soldadura actuen com a contaminants a la zona d'aïllament |
Recobriment conformal | Redueix el grau de contaminació només si s'especifica i s'inspecciona |
Una breu ràfega d'alt voltatge arriba al connector. Troba el punt més feble d'un xip i el trenca. La protecció per etapes alenteix aquesta energia. La connexió a terra i el disseny decideixen si la pinça aguanta. La protecció contra sobretensions és un sistema complet, no només una part.
Aquí teniu els punts clau de nou. Primer, definiu el vostre entorn de sobretensió i els nivells de prova. Feu que les etapes MOV, GDT i TVS funcionin juntes afegint impedància entre elles. Mantingueu els cables del protector de sobretensió curts i rectes. Planifiqueu el camí a terra abans de fer el disseny. Seguiu les regles de línia de fuita, distància lliure i límits DFM. Col·loqueu cada supressor de sobretensió de manera que derivi el corrent a la terra del xassís.
Verifiqueu el vostre pla actual de supressió de sobretensions, connexió a terra i disseny amb aquestes idees abans de la propera construcció.
FAQ
Per què falla un transceptor quan el protector contra sobretensions sembla correcte?
Pot ser que el protector s'hagi fixat massa lentament o s'hagi situat massa lluny del connector. Els cables llargs afegeixen una caiguda inductiva, de manera que la tensió restant al circuit integrat puja per sobre del seu límit. Comproveu la longitud del cable i la via de retorn a terra abans de culpar la peça.
Pot un díode TVS protegir una placa per si sol?
No. Un TVS es connecta ràpidament però gestiona poca energia. Una sobretensió de llamp supera la seva capacitat nominal. Necessiteu una etapa GDT o MOV davant seu, amb impedància entre les etapes perquè l'energia es propagui per la cadena.
Quina curtedat han de tenir els cables del protector de sobretensió?
Mantingueu la connexió a la xarxa elèctrica o a terra per sota de 0.5 metres, recta i amb poques corbes. Mantingueu els cables entre el descarregador i l'equip per sota de 10 metres. Més enllà d'això, afegiu un segon protector coordinat més a prop de la càrrega.
On he de connectar la terra del xassís a la terra del senyal?
Connecteu-los en un punt i, a continuació, afegiu-hi un petit condensador d'uns quants centenars de pF per al retorn d'alta freqüència. Això manté sòlida la unió de seguretat i dóna al soroll un recorregut curt sense crear un bucle de terra.
