Un ricetrasmettitore torna dal campo con un foro nel punto in cui si trovava il driver di linea. Il cliente afferma che un fulmine ha colpito nelle vicinanze, non direttamente. Si testa il circuito integrato singolarmente e supera tutti i controlli di laboratorio. La vera causa è altrove: il limitatore di sovratensione si è chiuso troppo lentamente, i suoi cavi erano troppo lunghi e il percorso di ritorno a terra non era stato progettato correttamente. Il componente ha svolto il suo lavoro. Il sistema no.
La soppressione delle sovratensioni e la messa a terra sono di competenza del progettista, non del fornitore di circuiti integrati. Trascurarle comporta cicli di RMA, guasti ripetuti sul campo e rischi per la sicurezza. Quindi, in che modo una tensione transitoria sollecita una giunzione secondo la norma IEC 61000-4-5? Perché gli stadi di protezione devono lavorare insieme? Dove si colloca un dispositivo di protezione dalle sovratensioni e in che modo la messa a terra e il layout determinano l'efficacia della protezione contro fulmini e sovratensioni?
Punti chiave
Innanzitutto, individuate il vostro ambiente di test e verificate i livelli di picco. Questo guiderà ogni vostra scelta successiva.
Fai in modo che le fasi di protezione lavorino in sinergia. Aggiungi un'impedenza tra di esse in modo che condividano l'energia della sovratensione.
I cavi del dispositivo di protezione dalle sovratensioni devono essere corti e dritti. I cavi lunghi aumentano la tensione in eccesso.
Pianifica il percorso verso terra prima di posizionare il circuito stampato. Un percorso di terra breve e a bassa induttanza garantisce l'efficacia della protezione.
Rispetta le norme relative alle distanze di isolamento superficiale, alle distanze di sicurezza e alla progettazione per la fabbricazione (DFM) . Queste norme impediscono alle correnti transitorie di propagarsi attraverso le fessure.
Minacce di aumento a livello del consiglio di amministrazione
Livelli di prova IEC 61000-4-5
La norma IEC 61000-4-5 definisce le forme d'onda delle sovratensioni rispetto alle quali progettare. Il generatore di onde combinate è la sorgente più comune. Emette una tensione a circuito aperto di 1.2/50 µs e una corrente di cortocircuito di 8/20 µs, per questo motivo gli ingegneri lo chiamano sovratensione "1.2/50-8/20 µs". La sua impedenza di uscita effettiva è di 2 Ω, ovvero il rapporto tra la tensione di picco a circuito aperto e la corrente di picco di cortocircuito. Le apparecchiature di telecomunicazione per esterni, invece, sono soggette a un generatore ad energia più elevata, con un'onda di tensione di 10/700 µs e un'onda di corrente di 5/320 µs.
Set di forme d'onda | Forma d'onda di tensione | Forma d'onda corrente | Applicazione tipica |
|---|---|---|---|
Onda combinata | 1.2 µs / 50 µs | 8 µs / 20 µs | La maggior parte delle applicazioni |
Generatore di energia più elevata | 10 µs / 700 µs | 5 µs / 320 µs | Reti di telecomunicazione esterne |
Il tempo di fronte e la durata sono parametri virtuali, non semplici tempi di salita. Per la tensione a circuito aperto, il tempo di fronte è pari a 1.67 volte il tempo di salita dal 30% al 90%. Prima di scegliere i componenti, allinea lo standard del tuo prodotto a un livello di test. L'impedenza del generatore indica quanta corrente una determinata tensione immette nella scheda.
Come le sovratensioni sollecitano le giunzioni dei semiconduttori
Una sovratensione dovuta a un fulmine o a una commutazione raggiunge la scheda in due modi. La tensione transitoria di modo comune spinge la corrente attraverso il cavo di interfaccia e la riporta verso terra. La tensione transitoria di modo differenziale si manifesta ai capi della coppia di segnali stessa. Entrambe si accoppiano alle tracce sotto forma di sovratensioni e picchi elettrici, ed entrambe colpiscono prima la giunzione più debole.
Le giunzioni dei semiconduttori si guastano per prime perché concentrano la corrente in un volume minuscolo. Una tensione transitoria che supera la regione di rottura inversa scarica energia in una piccola area di silicio. Ne consegue un riscaldamento locale e la giunzione va in cortocircuito. Ecco perché un dispositivo di protezione dalle sovratensioni sul connettore è più importante di un circuito integrato robusto. Il dispositivo di protezione deve deviare l'energia prima che raggiunga il die.
Definisci innanzitutto l'ambiente in cui si verificheranno le sovratensioni e il livello di prova. Ogni scelta successiva, dalla fase di protezione dalle sovratensioni alla configurazione del circuito, dipenderà da quel valore.
Architettura di soppressione delle mareggiate a fasi
Un singolo dispositivo non può assorbire la sovratensione di un fulmine e allo stesso tempo garantire la tenuta del circuito integrato. È necessario un sistema di protezione a più stadi. Ogni stadio gestisce l'energia per cui è più adatto, e gli stadi si dividono lo stress.
Coordinamento di MOV, GDT e diodi TVS
Il modello a tre stadi prevede un tubo a scarica di gas (GDT) all'ingresso del servizio, un varistore a ossido di metallo (MOV) nella parte centrale e un diodo di soppressione delle sovratensioni transitorie (TVS) in prossimità del circuito protetto. Uno stadio di protezione contro le sovratensioni all'ingresso del servizio devia la corrente principale. Lo stadio intermedio assorbe la corrente che lo attraversa. Lo stadio finale limita la tensione residua sul pin del circuito integrato.
Parametro | GDT | MOV | Diodo TVS |
|---|---|---|---|
Velocità di risposta | 100 ns – 1 µs | 1 – 25 n | Sub-nanosecondo |
Gestione delle correnti di picco | 5 – 100 kA | 500 A – 40 kA | 10 – 500 A |
Assorbimento di energia | Elevato (kJ tramite arco) | 10 J – 2 kJ | 0.1-50 J |
Comportamento di bloccaggio | Piede di porco | Rapporto di serraggio moderato | Rapporto di serraggio stretto |
Il coordinamento dipende dal disaccoppiamento dell'impedenza tra gli stadi. Aggiungendo induttanza o resistenza, l'energia di picco si distribuisce lungo la catena. Senza di essa, il dispositivo più veloce si attiva per primo e assorbe l'intero evento. Un TVS (Transistor Voltage Switching) limita il picco in picosecondi. L'aumento di tensione attraverso l'impedenza in serie innesca quindi il MOV (Mobile Variable Variable) in nanosecondi. Una corrente estrema innesca l'arco del GDT (Ground Transformer Device) entro poche centinaia di nanosecondi e scarica decine di kiloampere a terra.
Comportamento di serraggio rispetto a quello di leva
Un varistore a ossido di metallo e un morsetto soppressore di tensione transitoria. Mantengono la tensione a un livello definito e dissipano l'energia. Un GDT e un SIDACtor a leva. Si guastano, quindi si bloccano in uno stato conduttivo a bassa tensione.
La bassa tensione di tenuta di una leva di sicurezza le consente di sopportare una corrente di guasto più elevata con una minima dissipazione di potenza, quindi può sostenere correnti più alte per periodi più lunghi rispetto a una pinza amperometrica.
Questa robustezza ha una condizione. Il dispositivo di bloccaggio rimane bloccato a meno che il circuito non scarichi la corrente in arrivo. È necessario aggiungere un fusibile, un PTC o un'impedenza di alimentazione che limiti la corrente al di sotto del livello di mantenimento. Verificare che lo scarico avvenga a temperature estreme. Un dispositivo di bloccaggio non necessita di scarico, ma si sollecita a ogni evento. I MOV si degradano dopo ripetuti impatti. I diodi TVS durano più a lungo, ma gestiscono molta meno energia.
I fusibili di backup proteggono da un cortocircuito del dispositivo di protezione dalle sovratensioni. Dimensionare il fusibile con un valore superiore alla normale corrente di esercizio e inferiore alla capacità di corrente di guasto del dispositivo. Verificare la modalità di guasto di ciascun componente. Un MOV o un TVS in cortocircuito di solito significa che la sovratensione ha superato il suo valore nominale. Un'elevata corrente di dispersione indica un degrado dovuto a sovratensioni ripetute. Guasti ripetuti significano che è stato scelto un dispositivo sottodimensionato. Gli errori di comunicazione sulle linee dati sono spesso riconducibili a un componente ad alta capacità. Un posizionamento errato, lontano dal connettore, indebolisce anche qualsiasi schema di soppressione e filtraggio delle sovratensioni.
Scelta di un dispositivo di protezione contro le sovratensioni
Dimensionamento e tensione di bloccaggio
Iniziate dalla tensione di blocco. La tensione di blocco inversa deve essere superiore alla tensione di linea normale più alta. Ciò include la tolleranza di alimentazione, l'ondulazione, l'overshoot e le variazioni di temperatura. Una linea a 5 V può raggiungere 5.25 V o 5.5 V durante il normale funzionamento, quindi una tensione di blocco a 5 V può disperdere corrente o attivarsi durante il normale utilizzo. Non confondete la tensione di rottura con la tensione di blocco. Una bassa corrente di dispersione è garantita al valore nominale di blocco, non al punto di rottura.
Parametro | Significato | Regola di selezione |
|---|---|---|
Tensione di stallo inversa | Tensione continua massima con bassa dispersione specificata | Deve essere superiore alla tensione di linea massima valida |
Tensione di serraggio | Tensione ai capi del dispositivo durante un impulso definito | Deve rimanere al di sotto del limite transitorio di sicurezza del circuito protetto. |
Corrente di picco dell'impulso | Corrente impulsiva massima per una data forma d'onda | Deve superare la corrente transitoria prevista |
potenza di picco dell'impulso | Potenza massima degli impulsi di breve durata | Deve superare la potenza dell'impulso calcolata ridotta |
Successivamente, stimate la corrente di picco e controllate la tensione di blocco. Per un ingresso industriale a 24 V, una tensione di blocco di 33 V è sufficiente. Con una sorgente a 1000 V, una tensione di blocco di 54 V e una resistenza di sorgente di 42 Ω, la corrente di impulso di 8/20 µs è di circa 22.5 A. Se il circuito protetto può sopportare 60 V, la tensione di blocco di 54 V lascia solo 6 V di margine prima del sovraccarico del PCB. Non ignorate mai la tensione di blocco. Un diodo potrebbe sopravvivere all'impulso ma lasciare comunque passare una tensione transitoria sufficiente a danneggiare il circuito integrato protetto.
Non scegliere la tensione di blocco basandoti esclusivamente sulla tensione nominale. Assicurati che la forma d'onda riportata nel datasheet corrisponda alla minaccia prevista e applica la riduzione di potenza dovuta alla temperatura al picco dell'impulso.
Posizionamento e lunghezza del cavo
Posizionare il dispositivo di protezione contro le sovratensioni sul connettore, prima che la traccia prosegua in qualsiasi altro punto. I cavi di collegamento lunghi aumentano l'impedenza e la caduta di tensione induttiva. Quando scorre una corrente transitoria ad alta frequenza, tale impedenza aumenta la tensione di blocco residua che raggiunge le apparecchiature a valle. Il livello di protezione si abbassa e i carichi sensibili subiscono tensioni superiori al loro valore nominale di resistenza agli impulsi.
I cavi devono essere corti, dritti e diretti. La lunghezza massima consigliata del cavo tra il limitatore di sovratensione e la rete elettrica o la messa a terra è di 0.5 metri, spesso chiamata regola dei 50 centimetri. I cavi tra il limitatore di sovratensione e l'apparecchiatura non devono superare i 10 metri. Oltre tale lunghezza, è consigliabile aggiungere un secondo dispositivo di protezione dalle sovratensioni coordinato, posizionato più vicino all'apparecchiatura.
La lunghezza dei cavi di collegamento tra il limitatore di sovratensione e i terminali dell'apparecchiatura e tra il cavo di terra e la sovratensione deve essere ridotta al minimo e l'installazione deve avvenire nel modo più rettilineo possibile, riducendo al minimo le curve.
I vincoli DFM (Design for Manufacturing) influenzano la scelta in questo caso. I package dei soppressori di sovratensione transitoria a passo fine limitano le dimensioni dei pad e la distanza di sicurezza. Posizionare il componente sul lato di ingresso della sovratensione di qualsiasi sdoppiamento e mantenere il percorso di ritorno sullo stesso strato. Un dispositivo di protezione contro le sovratensioni certificato e con la corretta classificazione non funziona comunque se l'azienda di assemblaggio non è in grado di mantenere la geometria dei pad.
Progettazione della messa a terra per la protezione dalle sovratensioni
Messa a terra protettiva contro messa a terra del segnale
La messa a terra di protezione e la messa a terra del segnale svolgono funzioni diverse. La messa a terra di protezione trasporta la corrente di guasto e mantiene il telaio a potenziale di terra. In questo modo, chiunque tocchi l'involucro rimane al sicuro. La messa a terra del segnale è il riferimento per il circuito. Può trovarsi a qualsiasi potenziale rispetto al telaio. Consideratele come reti separate finché non decidete dove si incontrano.
Aspetto | Guida |
|---|---|
Massa del segnale vs massa del telaio | La massa del circuito non deve necessariamente essere collegata alla massa del telaio. Su un dispositivo alimentato tramite USB, il filo GND va alla massa del circuito e la schermatura va al telaio. |
Collegamento a punto singolo | Collegare il cavo di massa dell'alimentazione del circuito al telaio in un solo punto. |
Collegamento ad alta frequenza | Aggiungere un piccolo condensatore di qualche centinaio di pF tra la massa del circuito e la schermatura per deviare il rumore ad alta frequenza. |
Gestione dello scudo | Mantieni la schermatura e il ritorno del segnale come punti separati. Una schermatura blocca i campi e non dovrebbe trasportare corrente a meno che non sia progettata per questo. |
Rumore e loop | Separare il riferimento del circuito dalla schermatura divide i percorsi del rumore da quelli di ritorno del segnale. Ciò evita anelli di massa, oscillazioni e ronzii di alimentazione. |
Collegare il telaio alla massa del segnale in un punto, quindi aggiungere il piccolo condensatore per il ritorno ad alta frequenza. In questo modo il collegamento di sicurezza rimane solido e il rumore ha un percorso breve alle alte frequenze.
Messa a terra monopunto, multipunto e ibrida
La messa a terra a punto singolo collega ogni ritorno a un unico nodo comune. Limita i loop di terra e mantiene tutte le parti a un potenziale comune durante un temporale. Smette di funzionare al di sopra di circa 10 MHz, dove i conduttori lunghi agiscono come antenne. La messa a terra multipunto offre alle correnti di terra molteplici percorsi e equalizza i potenziali. Inoltre, favorisce la formazione di loop e correnti vaganti attraverso le strutture in acciaio dell'edificio. La messa a terra ibrida combina entrambi i sistemi: una dorsale a punto singolo con sottosistemi multipunto.
Per i circuiti operanti tra 1 MHz e 30 MHz, si utilizza un approccio ibrido. Se la lunghezza del filo di terra è inferiore a 1/20 della lunghezza d'onda del segnale operativo, si utilizza la messa a terra a punto singolo. Altrimenti, si utilizza la messa a terra a più punti.
Pianifica le suddivisioni e i collegamenti del piano di massa tenendo conto della corrente di ritorno. Una suddivisione sotto un segnale costringe la sua corrente di ritorno a deviare, e questo anello irradia. Collega la suddivisione con condensatori o un ponte stretto dove un segnale deve attraversarla. Progetta la disposizione di messa a terra per il dispositivo di protezione dalle sovratensioni e per l'apparecchiatura protetta insieme. Il dispositivo di protezione dalle sovratensioni necessita di un percorso verso terra breve e a bassa induttanza. L'apparecchiatura necessita di un proprio riferimento. Fai passare il conduttore di terra dai dispositivi di protezione dalle sovratensioni verso un punto di terra comune e mantieni questo conduttore separato dai ritorni di segnale. Collega i conduttori di fase, neutro e messa a terra dell'apparecchiatura all'ingresso del servizio come richiesto dalla normativa locale. Quindi metti a terra i soppressori nello stesso punto. Un lungo filo di terra condiviso aumenta la tensione transitoria su ogni stadio e vanifica il coordinamento che hai creato. Una protezione efficace contro i fulmini dipende da questo riferimento di terra condiviso, non dal solo soppressore. Instrada prima il ritorno del soppressore di sovratensioni, quindi posiziona le masse del segnale intorno ad esso.
Progettazione del PCB e tecniche di isolamento
Scorrimento lento, gioco e scanalatura
La dispersione superficiale è il percorso lungo la superficie tra due conduttori. La distanza di isolamento è lo spazio rettilineo attraverso l'aria. Una tensione transitoria salterà attraverso uno dei due se la distanza è troppo breve. Praticando una fessura tra i pad ad alta tensione, si allunga il percorso superficiale. Una fessura larga 1 mm tra i pad può quasi raddoppiare la lunghezza del percorso superficiale. Ciò riduce drasticamente la probabilità di tracciamento o arco elettrico. Una fessura larga 2 mm aggiunge diversi millimetri al percorso di dispersione superficiale senza aumentare le dimensioni del circuito stampato.
Utilizzare fessure e barriere fisiche quando le dimensioni del circuito stampato rendono difficile mantenere grandi distanze di dispersione. Un convertitore compatto da 800 V può soddisfare i requisiti di spaziatura con una fessura da 1 mm e un buon materiale isolante. Un controller per motori industriali da 1200 V (grado di inquinamento 2, IPC-2221, materiale del Gruppo II) combina una fessura con un rivestimento conforme per poter essere montato su un circuito stampato di piccole dimensioni. Evitare curve e spigoli vivi delle tracce, poiché comprimono il campo elettrico. Tenere le tracce ad altissima tensione lontane dagli strati interni. Qualsiasi pattern metallico con uno spigolo vivo può aumentare il campo elettrico attraverso un isolante e causare scariche superficiali.
Induttori di modo comune, condensatori Y e barriere di isolamento
Un induttore di modo comune blocca il rumore comune a due o più linee di alimentazione. I suoi avvolgimenti opposti si annullano a vicenda per la corrente differenziale e presentano un'elevata impedenza al rumore di modo comune. Posizionatelo vicino all'ingresso di rete e coordinatelo con i condensatori X e Y e lo stadio di protezione dalle sovratensioni. I condensatori Y deviano il rumore di modo comune verso terra. I condensatori X filtrano il rumore di modo differenziale tra linea e neutro. Insieme al diodo di soppressione delle sovratensioni e agli altri dispositivi di protezione dalle sovratensioni, questi componenti costituiscono il filtro di soppressione delle sovratensioni e i filtri ad alta frequenza che impediscono alle sovratensioni transitorie residue di raggiungere il circuito integrato.
Un induttore in ferrite si satura. Una sovratensione di modo comune ad alta energia può saturare il nucleo e attraversarlo direttamente. Progettare una protezione separata contro le sovratensioni in aggiunta all'induttore e non considerare mai l'induttore come soppressore di sovratensioni. Dimensionare i condensatori Y in base alla loro classe di tensione nominale secondo la norma IEC 60384-14 e verificare che il componente resista alla tensione di picco desiderata.
La progettazione per la producibilità (DFM) definisce tutto questo. Il rame si trova a circa 0.3-0.4 mm dal contorno per le regole di fabbricazione, ma la dispersione superficiale si estende poi lungo il bordo fino al telaio. Una fessura di isolamento non può essere placcata e il percorso di instradamento richiede circa 1.0-1.5 mm, quindi il percorso elettrico deve essere libero dalle estremità della fessura. Il flussante e le sfere di saldatura nella zona di isolamento agiscono come contaminanti installati. Considerate quella fascia come un'area di esclusione per componenti, via, serigrafia e punti di test. Non riducete la dispersione superficiale nel CAD ipotizzando un rivestimento a meno che non lo specifichiate e lo verifichiate.
Area di vincolo | Compromesso nella produzione |
|---|---|
strisciamento del bordo della tavola | Il filo di rame tirato lascia un percorso attorno al bordo fino al telaio |
Slot di isolamento | Non può essere placcato; la larghezza del percorso di instradamento costringe a seguire il percorso attorno alle estremità della fessura |
Viali lungo la barriera | Le strette barriere di mascheratura cuciono pad-to-pad sulla superficie |
Residui di assemblaggio | Il flussante e le sfere di saldatura agiscono come contaminanti nella zona di isolamento. |
Rivestimento conforme | Riduce il livello di inquinamento solo se specificato e ispezionato |
Una breve scarica ad alta tensione arriva al connettore. Individua il punto più debole di un chip e lo rompe. La protezione a più stadi rallenta questa energia. La messa a terra e la disposizione dei componenti determinano poi se il morsetto regge. La protezione contro le sovratensioni è un sistema completo, non solo un singolo componente.
Ecco di nuovo i punti chiave. Innanzitutto, definite l'ambiente di sovratensione e i livelli di prova. Fate in modo che gli stadi MOV, GDT e TVS lavorino insieme aggiungendo impedenza tra di loro. Mantenete i cavi del soppressore di sovratensione corti e rettilinei. Pianificate il percorso verso terra prima di procedere con il layout. Rispettate le regole relative alle distanze di isolamento superficiale, alle distanze di sicurezza e ai limiti DFM. Posizionate ciascun soppressore di sovratensione in modo che devii la corrente verso la terra del telaio.
Prima di iniziare la prossima costruzione, confronta il tuo attuale piano di protezione dalle sovratensioni, di messa a terra e di disposizione degli impianti con queste idee.
FAQ
Perché un ricetrasmettitore smette di funzionare quando il dispositivo di protezione dalle sovratensioni sembra funzionare correttamente?
Il dispositivo di protezione potrebbe essersi serrato troppo lentamente o essere posizionato troppo lontano dal connettore. I cavi lunghi aumentano la caduta di tensione induttiva, quindi la tensione residua sul circuito integrato supera il suo limite. Prima di attribuire la colpa al componente, verificare la lunghezza del cavo e il percorso di ritorno a massa.
Un singolo diodo TVS è sufficiente a proteggere un circuito stampato?
No. Un TVS blocca rapidamente ma gestisce poca energia. Una sovratensione da fulmine supera la sua capacità nominale. È necessario uno stadio GDT o MOV a monte, con un'impedenza tra gli stadi in modo che l'energia si distribuisca lungo la catena.
Quanto devono essere corti i cavi del dispositivo di protezione dalle sovratensioni?
Il collegamento alla rete elettrica o alla terra deve essere di lunghezza inferiore a 0.5 metri, rettilineo e con poche curve. La lunghezza dei cavi tra il limitatore di sovratensione e l'apparecchiatura deve essere inferiore a 10 metri. Oltre tale distanza, aggiungere un secondo dispositivo di protezione coordinato più vicino al carico.
Dove devo collegare la massa del telaio alla massa del segnale?
Collegate i due componenti in un unico punto, quindi aggiungete un piccolo condensatore di poche centinaia di pF per il ritorno ad alta frequenza. In questo modo il collegamento di sicurezza rimane solido e il rumore ha un percorso breve senza creare un anello di massa.
