Un émetteur-récepteur revient du terrain avec un trou à l'emplacement de son circuit d'attaque. Le client affirme qu'un éclair est tombé à proximité, sans impact direct. Testé individuellement, le circuit intégré réussit tous les tests. La véritable cause est ailleurs : le parafoudre a tendu la tension trop lentement, ses câbles étaient trop longs et le chemin de retour à la terre n'a jamais été conçu. Le composant a fonctionné, mais pas le système.
La protection contre les surtensions et la mise à la terre relèvent de votre responsabilité en tant que concepteur, et non de celle du fournisseur de circuits intégrés. Négliger ces aspects entraîne des retours de marchandise, des pannes répétées sur le terrain et des risques pour la sécurité. Comment une tension transitoire affecte-t-elle une jonction selon la norme IEC 61000-4-5 ? Pourquoi les étages de protection doivent-ils fonctionner de concert ? Où placer un dispositif de protection contre les surtensions ? Et comment la mise à la terre et l’implantation déterminent-elles l’efficacité de la protection contre la foudre et les surtensions ?
Points clés à retenir
Déterminez d'abord votre environnement de surtension et effectuez des tests de niveau. Cela guidera tous vos choix ultérieurs.
Faites en sorte que les étages de protection fonctionnent de concert. Ajoutez une impédance entre eux afin qu'ils répartissent l'énergie de la surtension.
Veillez à ce que les fils du parasurtenseur soient courts et droits. Des fils longs augmentent la tension supplémentaire.
Planifiez le chemin de mise à la terre avant de réaliser le circuit imprimé. Un chemin de terre court et à faible inductance assure le bon fonctionnement de la protection.
Respectez les règles de fuite, de dégagement et de DFM . Ces règles empêchent les phénomènes transitoires de franchir les espaces vides.
Menaces de montée en puissance au niveau du conseil d'administration
Niveaux de test IEC 61000-4-5
La norme IEC 61000-4-5 définit les formes d'onde de surtension à prendre en compte lors de la conception. Le générateur d'ondes combinées est la source la plus courante. Il génère une tension à vide de 1.2/50 µs et un courant de court-circuit de 8/20 µs ; les ingénieurs le désignent donc comme une surtension de « 1.2/50-8/20 µs ». Son impédance de sortie effective est de 2 Ω, ce qui correspond au rapport entre la tension à vide de crête et le courant de court-circuit de crête. Les équipements de télécommunications extérieurs sont quant à eux exposés à un générateur de plus haute énergie, produisant une onde de tension de 10/700 µs et une onde de courant de 5/320 µs.
Ensemble de formes d'onde | Forme d'onde de tension | Forme d'onde actuelle | Application typique |
|---|---|---|---|
vague combinée | 1.2 µs / 50 µs | 8 µs / 20 µs | La plupart des applications |
Générateur à plus haute énergie | 10 µs / 700 µs | 5 µs / 320 µs | réseaux de télécommunications extérieurs |
Le temps de montée et la durée sont des paramètres virtuels, et non de simples temps de montée. Pour la tension en circuit ouvert, le temps de montée est égal à 1.67 fois le temps de montée de 30 % à 90 %. Assurez-vous que votre produit corresponde à un niveau de test avant de choisir vos composants. L'impédance du générateur indique l'intensité du courant qu'une tension donnée induit sur votre carte.
Comment les surtensions mettent à l'épreuve les jonctions semi-conductrices
Une surtension due à la foudre ou à une commutation atteint votre carte de deux manières. La tension transitoire en mode commun induit un courant dans le câble d'interface, puis le renvoie à la terre. La tension transitoire en mode différentiel apparaît directement sur la paire de signaux. Ces deux types de surtensions se propagent dans les pistes sous forme de pics et de surtensions électriques, et affectent en premier lieu la jonction la plus fragile.
Les jonctions semi-conductrices sont les premières à défaillir car elles concentrent le courant dans un volume infime. Une tension transitoire dépassant la zone de claquage inverse concentre l'énergie dans une petite zone de silicium. Il s'ensuit un échauffement local, puis un court-circuit de la jonction. C'est pourquoi un protecteur de surtension au niveau du connecteur est plus important qu'un circuit intégré robuste. Le dispositif de protection doit dévier l'énergie avant qu'elle n'atteigne la puce.
Définissez d'abord votre environnement de surtension et effectuez un test de niveau. Tous les choix ultérieurs, de la protection contre les surtensions à l'agencement, dépendent de cette valeur.
Architecture de suppression des surtensions par étapes
Un seul dispositif ne peut absorber une surtension due à la foudre et assurer une protection efficace au niveau du circuit intégré. Un système de protection à plusieurs niveaux est nécessaire. Chaque niveau gère l'énergie pour laquelle il est compétent, et la contrainte est répartie entre les niveaux.
Coordination des MOV, des GDT et des diodes TVS
Le modèle à trois étages utilise un tube à décharge gazeuse (GDT) à l'entrée de service, une varistance à oxyde métallique (MOV) au centre et une diode de suppression des surtensions transitoires (TVS) près du circuit protégé. Un étage de protection contre les surtensions à l'entrée de service dévie le courant principal. L'étage intermédiaire absorbe le courant qui le traverse. L'étage final limite la tension résiduelle à la broche du circuit intégré.
Paramètre | GDT | MOV | Diode TVS |
|---|---|---|---|
Vitesse de réponse | 100 ns – 1 µs | 1 – 25 secondes | Sub-nanosecond |
Gestion des surtensions | 5 – 100 kA | 500 A – 40 kA | 10 - 500 A |
Absorption d'énergie | Élevé (kJ via arc) | 10 J – 2 kJ | 0.1 – 50J |
Comportement de serrage | Crowbar | Rapport de serrage modéré | Rapport de serrage serré |
La coordination repose sur le découplage d'impédance entre les étages. L'ajout d'inductance ou de résistance permet de répartir l'énergie de la surtension sur l'ensemble de la chaîne. Sans cela, le dispositif le plus rapide s'amorce en premier et absorbe la totalité de l'événement. Une diode TVS limite la surtension en picosecondes. La tension croissante aux bornes de l'impédance série déclenche ensuite la varistance MOV en nanosecondes. Un courant extrême amorce l'arc du GDT en quelques centaines de nanosecondes et dissipe des dizaines de kiloampères à la terre.
Comportement de serrage versus comportement de pied de biche
Une varistance à oxyde métallique et un limiteur de tension transitoire maintiennent la tension à un niveau défini et dissipent l'énergie. Un dispositif de protection contre les surtensions (GDT) et un dispositif de protection contre les surtensions transitoires (SIDACtor) se déclenchent, puis se verrouillent dans un état conducteur basse tension.
La faible tension de maintien d'une barre de force lui permet de supporter un courant de défaut plus élevé avec une faible dissipation d'énergie, ce qui lui permet de supporter des courants plus élevés pendant des périodes plus longues qu'une pince ampèremétrique.
Cette robustesse a une condition : le dispositif de sécurité reste enclenché tant que le courant de fuite n'est pas évacué. Il est donc nécessaire d'ajouter un fusible, une thermistance PTC ou une impédance de source limitant le courant en dessous du seuil de maintien. Vérifiez l'évacuation du courant lors des variations de température. Un dispositif de limitation de courant ne nécessite aucune évacuation, mais il est soumis à des contraintes à chaque déclenchement. Les varistances à oxyde métallique (MOV) se dégradent après des déclenchements répétés. Les diodes TVS ont une durée de vie supérieure, mais supportent une énergie bien moindre.
Les fusibles de secours protègent contre les courts-circuits des parafoudres. Dimensionnez le fusible au-dessus du courant de fonctionnement normal et en dessous du courant de défaut admissible par l'appareil. Vérifiez le mode de défaillance de chaque composant. Un MOV ou TVS en court-circuit signifie généralement que la surtension a dépassé sa capacité nominale. Un courant de fuite élevé indique une dégradation due à des surtensions répétées. Des défaillances répétées signifient que le dispositif choisi est sous-dimensionné. Les erreurs de communication sur les lignes de données sont souvent dues à un composant à forte capacité. Un mauvais positionnement, loin du connecteur, affaiblit également tout système de protection et de filtrage contre les surtensions.
Choisir un dispositif de protection contre les surtensions
Dimensionnement et tension de serrage
Commencez par la tension de blocage. La tension de blocage inverse doit être supérieure à la tension nominale maximale du réseau. Cela inclut les tolérances d'alimentation, l'ondulation, le dépassement et les variations de température. Une tension de 5 V peut atteindre 5.25 V ou 5.5 V en fonctionnement normal ; une tension de blocage de 5 V peut donc présenter des fuites ou s'amorcer en utilisation normale. Ne confondez pas tension de claquage et tension de blocage. Un faible courant de fuite est garanti à la tension de blocage, et non à la tension de claquage.
Paramètre | Sens | Règle de sélection |
|---|---|---|
tension de blocage inverse | Tension continue maximale avec un faible courant de fuite spécifié | Doit être supérieure à la tension de ligne maximale admissible |
Tension de serrage | Tension aux bornes du dispositif pendant une impulsion définie | Doit rester en dessous de la limite transitoire de sécurité du circuit protégé |
Courant d'impulsion de pointe | Courant d'impulsion maximal pour une forme d'onde donnée | Doit dépasser le courant transitoire prévu |
puissance d'impulsion de crête | puissance d'impulsion de courte durée maximale | Doit dépasser la puissance d'impulsion calculée réduite |
Ensuite, estimez le courant de surtension et vérifiez la tension de limitation. Pour une entrée industrielle de 24 V, une tension de limitation de 33 V convient. Avec une source de 1 000 V, une tension de limitation de 54 V et une résistance de source de 42 Ω, le courant d'impulsion de 8/20 µs est d'environ 22.5 A. Si le circuit protégé supporte 60 V, cette tension de limitation de 54 V ne laisse que 6 V de marge avant la surtension du circuit imprimé. Il ne faut jamais négliger la tension de limitation. Une diode peut survivre à l'impulsion, mais laisser passer une tension transitoire suffisante pour endommager le circuit intégré protégé.
Ne choisissez pas la tension de blocage uniquement à partir de la tension nominale. Assurez-vous que la forme d'onde indiquée dans la fiche technique corresponde à la menace prévue et appliquez une correction thermique à la puissance d'impulsion de crête.
Positionnement et longueur du câble
Installez le dispositif de protection contre les surtensions au niveau du connecteur, avant que le câble ne s'étende ailleurs. Les longs câbles de connexion augmentent l'impédance et la chute de tension inductive. Lors du passage d'un courant transitoire haute fréquence, cette impédance accroît la tension de limitation résiduelle qui atteint les équipements en aval. Le niveau de protection diminue et les charges sensibles subissent des tensions supérieures à leur capacité de tenue aux impulsions.
Les câbles doivent être courts, droits et directs. La longueur maximale recommandée entre le parafoudre et le réseau électrique ou la terre est de 0.5 mètre (règle des 50 centimètres). Les câbles entre le parafoudre et l'équipement ne doivent pas dépasser 10 mètres. Au-delà, ajoutez un second parafoudre coordonné, plus proche de l'équipement.
La longueur des câbles reliant le parafoudre aux bornes de l'équipement et à la terre doit être réduite au minimum et installés aussi droits que possible, en minimisant les coudes.
Les contraintes de fabrication (DFM) influencent le choix. Les boîtiers de suppression de surtensions transitoires à pas fin limitent la taille des pastilles et l'espacement entre les composants. Placez le composant du côté de l'entrée de surtension de toute séparation et assurez-vous que le chemin de retour reste sur la même couche. Un dispositif de protection contre les surtensions homologué et correctement dimensionné restera inefficace si l'atelier d'assemblage ne peut pas respecter la géométrie des pastilles.
Conception de mise à la terre pour la protection contre les surtensions
Terre de protection versus masse de signal
La terre de protection et la masse de signal ont des fonctions différentes. La terre de protection conduit le courant de défaut et maintient le châssis au potentiel de la terre. Ainsi, toute personne touchant le boîtier reste en sécurité. La masse de signal sert de référence pour votre circuit. Son potentiel peut être quelconque par rapport à celui du châssis. Considérez-les comme des réseaux distincts jusqu'à ce que vous ayez déterminé leur point de jonction.
Aspect | Orientations |
|---|---|
Masse du signal vs masse du châssis | La masse du circuit n'a pas besoin d'être reliée à la masse du châssis. Sur un appareil alimenté par USB, le fil GND est relié à la masse du circuit et le blindage au châssis. |
Liaison monopoint | Raccordez la masse du circuit d'alimentation au châssis en un seul point. |
Collage à haute fréquence | Ajoutez un petit condensateur de quelques centaines de pF entre la masse du circuit et le blindage pour shunter le bruit haute fréquence. |
Manipulation du bouclier | Conservez le blindage et le retour de signal comme des points distincts. Un blindage bloque les champs magnétiques et ne doit pas conduire de courant, sauf si sa conception le permet. |
Bruit et boucles | En séparant la référence du circuit du blindage, on isole les sources de bruit des sources de signal. Ceci évite les boucles de masse, les oscillations et les ronflements d'alimentation. |
Reliez le châssis à la masse du signal en un point, puis ajoutez le petit condensateur pour le retour haute fréquence. Ceci assure une liaison de sécurité fiable et limite le chemin de propagation des parasites à haute fréquence.
Mise à la terre monopoint, multipoint et hybride
La mise à la terre monopoint relie tous les retours à un nœud commun. Elle limite les boucles de masse et maintient tous les composants à un potentiel commun pendant un orage. Son efficacité diminue au-delà d'environ 10 MHz, où les conducteurs longs se comportent comme des antennes. La mise à la terre multipoint offre de multiples chemins aux courants de terre et égalise les potentiels. Elle favorise également la formation de boucles et les courants de fuite à travers la structure métallique du bâtiment. La mise à la terre hybride combine les deux : une structure principale monopoint et des sous-systèmes multipoints.
Pour les circuits fonctionnant entre 1 MHz et 30 MHz, une approche hybride est utilisée. Si la longueur du fil de masse est inférieure à 1/20 de la longueur d'onde du signal de fonctionnement, on utilise une mise à la terre en un seul point. Sinon, on utilise une mise à la terre multipoint.
Planifiez les divisions et les raccordements du plan de masse en tenant compte du courant de retour. Une division sous un signal force son courant de retour à être détourné, et cette boucle rayonne. Raccordez le plan de masse à l'aide de condensateurs ou d'un pont étroit à l'endroit où un signal doit le traverser. Concevez le système de mise à la terre du parafoudre et de l'équipement protégé conjointement. Le parafoudre nécessite un chemin court et à faible inductance vers la terre. L'équipement nécessite sa propre référence. Raccordez le conducteur de terre des parafoudres à un point de terre commun et séparez ce conducteur des retours de signal. Reliez les conducteurs de phase, de neutre et de mise à la terre de l'équipement au point d'entrée du service conformément à la réglementation locale. Ensuite, mettez à la terre les parafoudres à ce même point. Un long fil de terre commun augmente la tension transitoire à chaque étage et compromet la coordination mise en place. Une protection efficace contre la foudre repose sur cette référence de terre commune, et non sur le seul parafoudre. Installez d'abord le retour du parafoudre, puis placez les mises à la terre des signaux autour.
Techniques de conception et d'isolation des circuits imprimés
Creepage, dégagement et créneaux
La ligne de fuite est le chemin parcouru par le courant de fuite à la surface entre deux conducteurs. L'isolement est l'espace en ligne droite dans l'air. Une tension transitoire peut jaillir entre les conducteurs si la distance est trop courte. Pratiquer une fente entre les pastilles haute tension allonge la ligne de fuite. Une fente de 1 mm de large entre les pastilles peut presque doubler cette longueur, réduisant ainsi considérablement le risque de fuite ou d'amorçage d'arc. Une fente de 2 mm de large ajoute plusieurs millimètres à la ligne de fuite sans augmenter la taille du circuit imprimé.
Utilisez des fentes et des barrières physiques lorsque la taille du circuit imprimé rend difficile le respect de grandes distances de fuite. Un convertisseur compact de 800 V peut respecter l'espacement requis avec une fente de 1 mm et un bon isolant. Un contrôleur de moteur industriel de 1 200 V (degré de pollution 2, IPC-2221, matériau du groupe II) utilise une fente et un revêtement conforme pour être installé sur un petit circuit imprimé. Évitez les virages et les arêtes vives des pistes, car elles perturbent le champ électrique. Maintenez les pistes haute tension à distance des couches internes. Tout motif métallique présentant une arête vive peut augmenter le champ électrique à travers un isolant et provoquer un contournement.
Bobines d'arrêt de mode commun, condensateurs en Y et barrières d'isolation
Une inductance de mode commun bloque les parasites communs à deux lignes d'alimentation ou plus. Ses enroulements opposés annulent le courant différentiel et présentent une impédance élevée aux parasites de mode commun. Placez-la près de l'entrée secteur et coordonnez-la avec les condensateurs X et Y et l'étage de protection contre les surtensions. Les condensateurs Y dérivent les parasites de mode commun vers la terre. Les condensateurs X filtrent les parasites de mode différentiel entre la phase et le neutre. Associés à la diode de suppression des surtensions transitoires et aux autres dispositifs de protection contre les surtensions, ces composants constituent le système de suppression des surtensions et de filtrage des hautes fréquences qui protège le circuit intégré des surtensions transitoires résiduelles.
Une bobine d'arrêt en ferrite sature. Une surtension de mode commun de haute énergie peut saturer le noyau et le traverser directement. Prévoyez une protection contre les surtensions distincte en plus de la bobine d'arrêt et ne considérez jamais cette dernière comme un simple suppresseur de surtensions. Dimensionnez les condensateurs Y selon leur classe nominale conformément à la norme IEC 60384-14 et assurez-vous qu'ils supportent la tension de crête cible.
La DFM (Design for Manufacturing) influence tout cela. Le cuivre se situe à environ 0.3–0.4 mm du contour pour les règles de fabrication, mais la ligne de fuite court ensuite le long du bord jusqu'au châssis. Une fente d'isolation ne peut pas être métallisée et le routage nécessite environ 1.0–1.5 mm ; le chemin électrique doit donc dégager les extrémités de la fente. Le flux et les billes de soudure dans la zone d'isolation constituent une pollution installée. Considérez cette zone comme une zone interdite pour les composants, les vias, la sérigraphie et les points de test. Ne réduisez pas la ligne de fuite dans le logiciel de CAO en supposant un revêtement, sauf si vous la spécifiez et la vérifiez.
Zone de contrainte | Compromis de fabrication |
|---|---|
courant de fuite du bord de la planche | Le retrait du cuivre laisse un chemin autour du bord jusqu'au châssis |
fente d'isolation | Impossible à plaquer ; la largeur du routage oblige le chemin à contourner les extrémités de la fente. |
Vias le long de la barrière | Les masques étroits sont cousus coussinet à coussinet en surface. |
résidus d'assemblage | Le flux et les billes de soudure constituent une source de pollution dans la zone d'isolation. |
Revêtement enrobant | Réduit le niveau de pollution uniquement si spécifié et inspecté. |
Une brève surtension arrive au niveau du connecteur. Elle cible le point faible d'une puce et la détruit. Une protection par étapes ralentit cette énergie. La mise à la terre et l'agencement des composants déterminent ensuite la tenue de la borne. La protection contre les surtensions est un système complet, et non un simple élément.
Voici à nouveau les points clés. Premièrement, définissez votre environnement de surtension et effectuez des tests de niveau. Assurez le bon fonctionnement des étages MOV, GDT et TVS en ajoutant une impédance entre eux. Veillez à ce que les fils du protecteur de surtension soient courts et rectilignes. Planifiez le chemin de mise à la terre avant le câblage. Respectez les règles relatives aux lignes de fuite, aux distances d'isolement et aux limites DFM. Placez chaque protecteur de surtension de manière à dériver le courant vers la masse du châssis.
Avant votre prochaine construction, vérifiez que votre système de protection contre les surtensions, votre mise à la terre et votre plan d'aménagement actuels se comparent à ces idées.
QFP
Pourquoi un émetteur-récepteur tombe-t-il en panne alors que le parasurtenseur semble en bon état ?
Il se peut que le protecteur se soit serré trop lentement ou qu'il soit trop éloigné du connecteur. Les longs fils augmentent la chute de tension inductive, ce qui fait que la tension résiduelle au niveau du circuit intégré dépasse sa limite. Vérifiez la longueur des fils et la continuité du retour à la masse avant d'incriminer le composant.
Une diode TVS peut-elle protéger à elle seule une carte électronique ?
Non. Une diode TVS se bloque rapidement mais supporte peu d'énergie. Une surtension due à la foudre dépasse sa capacité. Il faut un étage GDT ou MOV en amont, avec une impédance entre les étages pour répartir l'énergie dans la chaîne.
Quelle doit être la longueur des câbles d'un parasurtenseur ?
Le raccordement au réseau électrique ou à la terre doit être inférieur à 0.5 mètre, rectiligne et comporter peu de coudes. La longueur des câbles entre le parafoudre et l'équipement ne doit pas dépasser 10 mètres. Au-delà, il convient d'ajouter un second parafoudre coordonné, plus proche de la charge.
Où dois-je relier la masse du châssis à la masse du signal ?
Reliez-les en un point, puis ajoutez un petit condensateur de quelques centaines de pF pour le retour haute fréquence. Cela garantit une liaison de sécurité fiable et offre un chemin court au bruit sans créer de boucle de masse.
