Un transceptor regresa del campo con un agujero donde antes estaba su controlador de línea. El cliente dice que un rayo cayó cerca, pero no fue un impacto directo. Se prueba el circuito integrado por separado y supera todas las pruebas de laboratorio. La verdadera causa está en otro lugar: el protector contra sobretensiones se conectó demasiado lentamente, sus cables eran demasiado largos y la conexión a tierra nunca se diseñó correctamente. La pieza cumplió su función. El sistema no.
La supresión de sobretensiones y la conexión a tierra son responsabilidad del diseñador, no del fabricante del circuito integrado. Si se omiten, se producen ciclos de devolución de mercancía, fallos repetidos en campo y riesgos para la seguridad. Entonces, ¿cómo afecta la tensión transitoria a una unión según la norma IEC 61000-4-5? ¿Por qué deben funcionar conjuntamente las etapas de protección? ¿Dónde se ubica un dispositivo de protección contra sobretensiones y cómo influyen la conexión a tierra y el diseño en la eficacia de la protección contra rayos y sobretensiones?
Puntos Clave
Primero, determina tu entorno de sobretensión y los niveles de prueba. Esto guiará todas las decisiones que tomes posteriormente.
Haga que las etapas de protección funcionen conjuntamente. Añada impedancia entre ellas para que compartan la energía de la sobretensión.
Mantén los cables del protector contra sobretensiones cortos y rectos. Los cables largos aumentan el voltaje adicional.
Planifique la conexión a tierra antes de colocar el tablero. Una conexión a tierra corta con baja inductancia garantiza el funcionamiento de la protección.
Siga las reglas de fuga, separación y DFM . Estas reglas evitan que los transitorios salten a través de los huecos.
Amenazas de aumento de personal a nivel directivo
Niveles de prueba IEC 61000-4-5
La norma IEC 61000-4-5 define las formas de onda de sobretensión que se deben utilizar en el diseño. El generador de onda combinada es la fuente más común. Emite una tensión de circuito abierto de 1.2/50 µs y una corriente de cortocircuito de 8/20 µs, por lo que los ingenieros lo denominan sobretensión de "1.2/50-8/20 µs". Su impedancia de salida efectiva es de 2 Ω, que es la relación entre la tensión máxima de circuito abierto y la corriente máxima de cortocircuito. Los equipos de telecomunicaciones para exteriores, en cambio, se enfrentan a un generador de mayor energía, con una onda de tensión de 10/700 µs y una onda de corriente de 5/320 µs.
Conjunto de formas de onda | Forma de onda de voltaje | Forma de onda actual | Aplicación típica |
|---|---|---|---|
Onda combinada | 1.2 µs / 50 µs | 8 µs / 20 µs | La mayoría de las aplicaciones |
Generador de mayor energía | 10 µs / 700 µs | 5 µs / 320 µs | redes de telecomunicaciones exteriores |
El tiempo de frente y la duración son parámetros virtuales, no simples tiempos de subida. Para la tensión en circuito abierto, el tiempo de frente equivale a 1.67 veces el tiempo de subida del 30 % al 90 %. Antes de seleccionar los componentes, compare el estándar de su producto con un nivel de prueba. La impedancia del generador indica la cantidad de corriente que una tensión determinada suministra a la placa.
Cómo las sobretensiones afectan las uniones de los semiconductores
Una sobretensión por rayo o conmutación afecta a la placa de dos maneras. La tensión transitoria de modo común impulsa la corriente a través del cable de interfaz y de vuelta a tierra. La tensión transitoria de modo diferencial se manifiesta en el par de señales. Ambas se acoplan a las pistas como sobretensiones y picos eléctricos, y ambas afectan primero a la unión más débil.
Las uniones de semiconductores fallan primero porque concentran la corriente en un volumen diminuto. Una tensión transitoria que supera la región de ruptura inversa descarga energía en una pequeña área de silicio. Esto provoca un calentamiento local y un cortocircuito en la unión. Por eso, un protector contra sobretensiones en el conector es más importante que un circuito integrado robusto. El dispositivo de protección debe desviar la energía antes de que llegue al chip.
Primero, defina su entorno de sobretensión y el nivel de prueba. Todas las decisiones posteriores, desde la etapa de protección contra sobretensiones hasta el diseño, dependen de ese valor.
Arquitectura de supresión de sobretensiones por etapas
Un solo dispositivo no puede absorber una sobretensión por rayo y, al mismo tiempo, mantener la conexión del circuito integrado. Se necesita un sistema de protección por etapas. Cada etapa gestiona la energía para la que está diseñada, y las etapas comparten la carga.
Coordinación de MOV, GDT y diodos TVS
El modelo de tres etapas incorpora un tubo de descarga de gas (GDT) en la entrada de servicio, un varistor de óxido metálico (MOV) en la etapa intermedia y un diodo supresor de sobretensiones transitorias (TVS) cerca del circuito protegido. Una etapa de protección contra sobretensiones en la entrada de servicio desvía la corriente principal. La etapa intermedia absorbe la corriente residual. La etapa final limita la tensión residual en el pin del circuito integrado.
Parámetro | GDT | MOV | Diodo TVS |
|---|---|---|---|
La velocidad de respuesta | 100 ns – 1 µs | 1 – 25 ns | Subnanosegundos |
Manejo de corrientes de sobretensión | 5 – 100 kA | 500 A – 40 kA | 10 - 500 A |
Absorción de energía | Alto (kJ vía arco) | 10 J – 2 kJ | 0.1 – 50J |
comportamiento de sujeción | Palanca | Relación de sujeción moderada | Relación de sujeción ajustada |
La coordinación depende de la desacoplamiento de la impedancia entre las etapas. Se añade inductancia o resistencia para que la energía de la sobretensión se distribuya por toda la cadena. Sin ella, el dispositivo más rápido se activa primero y absorbe todo el evento. Un TVS limita la sobretensión en picosegundos. El aumento de voltaje a través de la impedancia en serie activa el MOV en nanosegundos. Una corriente extrema enciende el arco del GDT en cientos de nanosegundos y descarga decenas de kiloamperios a tierra.
Comportamiento de sujeción versus comportamiento de palanca
Un varistor de óxido metálico y un supresor de sobretensión transitoria. Mantienen la tensión en un nivel definido y disipan la energía por sí mismos. Un GDT y un SIDACtor crowbar. Se interrumpen y luego se bloquean en un estado conductor de baja tensión.
La baja tensión de retención de una palanca le permite soportar una corriente de falla más alta con poca disipación de potencia, por lo que puede mantener corrientes más altas durante períodos más prolongados que una pinza.
Esa resistencia tiene una condición. El dispositivo de protección permanece bloqueado a menos que el circuito interrumpa la corriente. Debe agregar un fusible, un PTC o una impedancia de fuente que limite la corriente por debajo del nivel de mantenimiento. Verifique que la interrupción se produzca en temperaturas extremas. Un dispositivo de sujeción no necesita interrupción, pero se somete a estrés con cada evento. Los varistores se degradan tras impactos repetidos. Los diodos TVS duran más, pero manejan mucha menos energía.
Los fusibles de respaldo protegen contra un protector contra sobretensiones en cortocircuito. El tamaño del fusible debe ser superior a la corriente de funcionamiento normal e inferior a la capacidad de corriente de falla del dispositivo. Verifique el modo de falla de cada componente. Un MOV o TVS en cortocircuito generalmente significa que la sobretensión superó su capacidad nominal. Una corriente de fuga elevada indica degradación por sobretensiones repetidas. Fallos repetidos significan que eligió un dispositivo demasiado pequeño. Los errores de comunicación en las líneas de datos a menudo se deben a un componente de alta capacitancia. Una mala ubicación lejos del conector también debilita cualquier esquema de supresión y filtrado de sobretensiones.
Selección de un dispositivo de protección contra sobretensiones
Dimensionamiento y tensión de sujeción
Comience con la tensión de aislamiento. La tensión de aislamiento inversa debe ser superior a la tensión de línea normal máxima. Esto incluye la tolerancia de la fuente de alimentación, la ondulación, el sobreimpulso y las variaciones de temperatura. Una línea de 5 V puede alcanzar 5.25 V o 5.5 V durante el funcionamiento normal, por lo que una tensión de aislamiento de 5 V puede presentar fugas o activarse durante el uso normal. No confunda la tensión de ruptura con la tensión de aislamiento. Se garantiza una baja fuga en la tensión de aislamiento, no en el punto de ruptura.
Parámetro | Significado | Regla de selección |
|---|---|---|
tensión inversa de bloqueo | Máxima tensión continua con baja fuga especificada | Debe ser mayor que la tensión de línea máxima válida. |
Voltaje reprimido | Voltaje a través del dispositivo durante un pulso definido | Debe mantenerse por debajo del límite transitorio seguro del circuito protegido. |
Corriente de pulso pico | Corriente de pulso máxima para una forma de onda dada | Debe superar la corriente transitoria esperada |
potencia máxima del pulso | Potencia máxima de pulso de corta duración | Debe superar la potencia de pulso calculada y reducida. |
A continuación, estime la corriente de sobretensión y compruebe la limitación de tensión. Para una entrada industrial de 24 V, una limitación de 33 V funciona. Con una fuente de 1000 V, una limitación de tensión de 54 V y una resistencia de fuente de 42 Ω, la corriente de pulso de 8/20 µs es de aproximadamente 22.5 A. Si el circuito protegido puede soportar 60 V, esa limitación de 54 V deja solo 6 V de margen antes de la sobretensión en la PCB. Nunca ignore la tensión de limitación. Un diodo puede soportar el pulso, pero aun así permitir el paso de suficiente tensión transitoria como para dañar el circuito integrado protegido.
No seleccione la tensión de bloqueo únicamente a partir de la tensión nominal. Asegúrese de que la forma de onda de la hoja de datos coincida con la amenaza prevista y aplique una reducción de potencia por temperatura a la potencia máxima del pulso.
Ubicación y longitud del cable
Coloque el dispositivo de protección contra sobretensiones en el conector, antes de que el cable se dirija a cualquier otro punto. Los cables de conexión largos aumentan la impedancia y la caída de tensión inductiva. Cuando fluye una corriente transitoria de alta frecuencia, esta impedancia eleva la tensión de sujeción residual que llega a los equipos conectados. El nivel de protección disminuye y las cargas sensibles experimentan tensiones superiores a su límite de resistencia a impulsos.
Mantenga los cables cortos, rectos y directos. La longitud máxima recomendada entre el pararrayos y la red eléctrica o la toma de tierra es de 0.5 metros, conocida como la regla de los 50 centímetros. Los cables entre el pararrayos y el equipo no deben superar los 10 metros. Si la longitud excede este límite, instale un segundo protector contra sobretensiones más cerca del equipo.
La longitud de los cables para conectar el pararrayos a los terminales del equipo y a tierra debe minimizarse y deben instalarse lo más rectos posible, minimizando las curvas.
Las limitaciones de DFM determinan la elección en este caso. Los encapsulados de supresores de sobretensión transitoria de paso fino limitan el tamaño de la almohadilla y el espacio libre entre las almohadillas. Coloque el componente en el lado de entrada de sobretensión de cualquier división y mantenga la ruta de retorno en la misma capa. Un dispositivo de protección contra sobretensiones homologado y con la clasificación adecuada seguirá fallando si la empresa de ensamblaje no puede mantener la geometría de la almohadilla.
Diseño de puesta a tierra para protección contra sobretensiones
Tierra de protección versus tierra de señal
La toma de tierra de protección y la toma de tierra de señal cumplen funciones distintas. La toma de tierra de protección conduce la corriente de falla y mantiene el chasis a potencial de tierra. De esta manera, una persona que toque la carcasa permanece a salvo. La toma de tierra de señal es la referencia del circuito. Puede tener cualquier voltaje con respecto al chasis. Trátelas como redes separadas hasta que decida dónde se conectan.
Aspecto | Guías |
|---|---|
Tierra de señal vs. tierra del chasis | La toma de tierra del circuito no tiene por qué conectarse a la toma de tierra del chasis. En un dispositivo alimentado por USB, el cable GND se conecta a la toma de tierra del circuito y el blindaje se conecta al chasis. |
Unión de un solo punto | Conecte la toma de tierra del circuito al chasis en un solo punto. |
Unión de alta frecuencia | Añada un pequeño condensador de unos cientos de pF desde la tierra del circuito hasta la pantalla para desviar el ruido de alta frecuencia. |
Manejo del escudo | Mantenga el blindaje y el retorno de señal como puntos separados. Un blindaje bloquea los campos y no debe conducir corriente a menos que se diseñe para ello. |
Ruido y bucles | Al separar la referencia del circuito del blindaje, se dividen las rutas de ruido de las rutas de retorno de la señal. Esto evita bucles de tierra, oscilaciones y zumbidos en la fuente de alimentación. |
Conecte el chasis a tierra de señal en un punto y luego añada el pequeño condensador para el retorno de alta frecuencia. Esto mantiene la conexión de seguridad sólida y proporciona una ruta corta para el ruido a alta frecuencia.
Puesta a tierra de un solo punto, multipunto e híbrida
La puesta a tierra de un solo punto conecta todos los retornos a un nodo común. Limita los bucles de tierra y mantiene todos los componentes a un potencial común durante una tormenta eléctrica. Deja de funcionar por encima de los 10 MHz, aproximadamente, donde los conductores largos actúan como antenas. La puesta a tierra multipunto ofrece múltiples rutas para las corrientes de tierra e iguala los potenciales. Sin embargo, también propicia la formación de bucles y corrientes parásitas a través de la estructura metálica del edificio. La puesta a tierra híbrida combina ambas: una red troncal de un solo punto con subsistemas multipunto.
Para circuitos que operan entre 1 MHz y 30 MHz, se utiliza un enfoque híbrido. Si la longitud del cable de tierra es inferior a 1/20 de la longitud de onda de la señal de operación, utilice una conexión a tierra de un solo punto. En caso contrario, utilice una conexión a tierra de múltiples puntos.
Planifique las divisiones y empalmes del plano de tierra teniendo en cuenta la corriente de retorno. Una división bajo una señal obliga a su corriente de retorno a desviarse, y ese bucle irradia. Empalme a través de la división con capacitores o un puente estrecho donde una señal deba cruzar. Diseñe la disposición de puesta a tierra para el dispositivo de protección contra sobretensiones y el equipo protegido en conjunto. El protector contra sobretensiones necesita una ruta corta y de baja inductancia a tierra. El equipo necesita su propia referencia. Tienda el conductor de puesta a tierra desde los dispositivos de protección contra sobretensiones a un punto de tierra común y mantenga ese conductor separado de los retornos de señal. Conecte los conductores de puesta a tierra de fase, neutro y equipo en la entrada de servicio según lo requiera su código local. Luego, ponga a tierra los supresores en ese mismo punto. Un cable de tierra largo y compartido aumenta la tensión transitoria en cada etapa y anula la coordinación que usted estableció. La protección eficaz contra rayos depende de esta referencia de tierra compartida, no solo del supresor. Enrute primero el retorno del supresor de sobretensiones y luego coloque las puestas a tierra de señal a su alrededor.
Técnicas de diseño y aislamiento de placas de circuito impreso
Deslizamiento, espacio libre y ranurado
La fuga superficial es el recorrido del conductor entre dos conductores. La distancia de aislamiento es el espacio en línea recta a través del aire. Un voltaje transitorio saltará a través de cualquiera de ellos si la distancia es demasiado corta. Si se corta una ranura entre las almohadillas de alto voltaje, se alarga el recorrido superficial. Una ranura de 1 mm de ancho entre las almohadillas puede casi duplicar la longitud del recorrido superficial. Esto reduce drásticamente la probabilidad de seguimiento o formación de arcos eléctricos. Una ranura de 2 mm de ancho añade varios milímetros al recorrido de fuga superficial sin aumentar el tamaño de la placa.
Utilice ranuras y barreras físicas cuando el tamaño de la placa dificulte el mantenimiento de grandes distancias de fuga. Un convertidor compacto de 800 V puede cumplir con su espaciado con una ranura de 1 mm y un buen material aislante. Un controlador de motor industrial de 1200 V (grado de contaminación 2, IPC-2221, material del Grupo II) combina una ranura con un recubrimiento de conformación para adaptarse a una placa pequeña. Evite los giros y bordes afilados de las pistas, ya que comprimen el campo eléctrico. Mantenga las pistas de muy alto voltaje alejadas de las capas internas. Cualquier patrón metálico con un borde afilado puede elevar el campo a través de un aislante y provocar una descarga disruptiva.
Bobinas de choque de modo común, condensadores en Y y barreras de aislamiento
Un inductor de modo común bloquea el ruido común a dos o más líneas de alimentación. Sus bobinados opuestos cancelan la corriente diferencial y presentan una alta impedancia al ruido de modo común. Colóquelo cerca de la entrada de la red eléctrica y coordínelo con los condensadores X e Y y la etapa de protección contra sobretensiones. Los condensadores Y derivan el ruido de modo común a tierra. Los condensadores X filtran el ruido de modo diferencial entre la línea y el neutro. Junto con el diodo de supresión de sobretensiones y los demás dispositivos de protección contra sobretensiones, estos componentes forman los filtros de supresión de sobretensiones y de alta frecuencia que evitan que la tensión transitoria residual llegue al circuito integrado.
Un inductor de ferrita se satura. Una sobretensión de modo común de alta energía puede saturar el núcleo y atravesarlo directamente. Diseñe una protección contra sobretensiones independiente, además del inductor, y nunca utilice el inductor como supresor de sobretensiones. Dimensionar los condensadores Y según su clasificación de clase en la norma IEC 60384-14 y confirmar que el componente soporta la tensión máxima de destino.
DFM lo configura todo. El cobre se sitúa a unos 0.3-0.4 mm del contorno según las normas de fabricación, pero la fuga se extiende por el borde hasta el chasis. No se puede metalizar una ranura de aislamiento, y el enrutamiento requiere aproximadamente 1.0-1.5 mm, por lo que la trayectoria eléctrica debe dejar libres los extremos de la ranura. El fundente y las bolas de soldadura en la zona de aislamiento actúan como contaminación instalada. Considere esa zona como un espacio de exclusión para componentes, vías, serigrafía y puntos de prueba. No reduzca la fuga en CAD asumiendo que se aplicará un recubrimiento, a menos que lo especifique e inspeccione.
Área de restricción | Compromiso de fabricación |
|---|---|
Deslizamiento del borde de la tabla | El retroceso del cobre deja un camino alrededor del borde hasta el chasis. |
Ranura de aislamiento | No se puede chapar; el ancho de enrutamiento fuerza la trayectoria alrededor de los extremos de la ranura. |
Vías a lo largo de la barrera | Las estrechas barreras de la máscara cosen almohadilla con almohadilla en la superficie. |
residuo de ensamblaje | El fundente y las bolas de soldadura actúan como contaminantes en la zona de aislamiento. |
Revestimiento de conformación | Reduce el grado de contaminación solo si se especifica y se inspecciona. |
Una breve ráfaga de alto voltaje llega al conector. Encuentra el punto más débil del chip y lo daña. La protección por etapas reduce la intensidad de esa energía. La conexión a tierra y el diseño determinan si la protección se mantiene. La protección contra sobretensiones es un sistema completo, no solo una parte.
Aquí están nuevamente los puntos clave. Primero, defina su entorno de sobretensión y los niveles de prueba. Haga que las etapas MOV, GDT y TVS funcionen en conjunto agregando impedancia entre ellas. Mantenga los cables del protector de sobretensión cortos y rectos. Planifique la ruta a tierra antes de realizar el diseño. Siga las reglas para la distancia de fuga, la separación y los límites DFM. Coloque cada supresor de sobretensión de manera que derive la corriente a la tierra del chasis.
Antes de la próxima construcción, compare su sistema actual de protección contra sobretensiones, conexión a tierra y diseño con estas ideas.
Preguntas Frecuentes
¿Por qué falla un transceptor cuando el protector contra sobretensiones parece estar bien?
Es posible que el protector se haya ajustado demasiado lentamente o que esté demasiado lejos del conector. Los cables largos aumentan la caída de tensión inductiva, por lo que la tensión residual en el circuito integrado supera su límite. Compruebe la longitud de los cables y la conexión a tierra antes de culpar al componente.
¿Puede un diodo TVS proteger una placa por sí solo?
No. Un TVS se activa rápidamente, pero maneja poca energía. Una sobretensión por rayo supera su capacidad. Se necesita una etapa GDT o MOV antes, con impedancia entre las etapas para que la energía se distribuya a lo largo de la cadena.
¿Qué tan cortos deben ser los cables de los protectores contra sobretensiones?
Mantenga la conexión a la red eléctrica o a tierra por debajo de 0.5 metros, recta y con pocas curvas. Mantenga los cables entre el pararrayos y el equipo por debajo de 10 metros. Si la longitud es mayor, añada un segundo protector coordinado más cerca de la carga.
¿Dónde debo conectar la tierra del chasis a la tierra de la señal?
Conéctalos en un punto y luego añade un pequeño condensador de unos cientos de pF para la protección contra altas frecuencias. Esto mantiene la conexión de seguridad sólida y proporciona al ruido una ruta corta sin crear un bucle de tierra.
