Um transceptor retorna do campo com um furo onde ficava o driver de linha. O cliente diz que um raio caiu nas proximidades, mas não diretamente. Você testa o CI isoladamente e ele passa em todos os testes de bancada. A verdadeira causa está em outro lugar: o protetor contra surtos fechou muito lentamente, seus cabos eram muito longos e o caminho de volta para a terra não foi projetado corretamente. O componente cumpriu sua função. O sistema, não.
A supressão de surtos e o aterramento são responsabilidade do projetista, não do fornecedor do circuito integrado. Ignorá-los resulta em ciclos de RMA, falhas recorrentes em campo e riscos à segurança. Então, como a tensão transitória estressa uma junção de acordo com a norma IEC 61000-4-5? Por que os estágios de proteção devem funcionar em conjunto? Onde um dispositivo de proteção contra surtos deve ser posicionado e como o aterramento e o layout determinam se a proteção contra raios/surtos funciona?
Principais lições
Primeiro, determine o ambiente de sobrecarga e os níveis de teste. Isso orientará todas as suas decisões posteriores.
Faça com que os estágios de proteção funcionem em conjunto. Adicione impedância entre eles para que compartilhem a energia de surto.
Mantenha os fios do protetor contra surtos curtos e retos. Fios longos aumentam a tensão extra.
Planeje o caminho para o terra antes de montar a placa. Um caminho de aterramento curto e com baixa indutância garante o funcionamento da proteção.
Siga as regras de distância mínima de fuga, distância mínima de segurança e DFM (Dispositivo de Fluxo de Corrente) . Essas regras impedem que transientes atravessem vãos.
Ameaças de surtos no nível da diretoria
Níveis de teste IEC 61000-4-5
A norma IEC 61000-4-5 define as formas de onda de surto que você deve considerar no projeto. O gerador de ondas combinado é a fonte mais comum. Ele emite uma tensão de circuito aberto de 1.2/50 µs e uma corrente de curto-circuito de 8/20 µs, por isso os engenheiros o denominam surto de “1.2/50-8/20 µs”. Sua impedância de saída efetiva é de 2 Ω, que é a razão entre a tensão de pico em circuito aberto e a corrente de pico em curto-circuito. Equipamentos de telecomunicações externos são submetidos a um gerador de maior energia, com uma onda de tensão de 10/700 µs e uma onda de corrente de 5/320 µs.
Conjunto de formas de onda | Forma de onda de tensão | Forma de onda atual | Aplicação Típica |
|---|---|---|---|
Onda combinada | 1.2 µs/50 µs | 8 µs/20 µs | A maioria das aplicações |
Gerador de alta energia | 10 µs/700 µs | 5 µs/320 µs | Redes de telecomunicações externas |
O tempo de subida e a duração são parâmetros virtuais, não simples tempos de subida. Para a tensão de circuito aberto, o tempo de subida é igual a 1.67 vezes o tempo de subida de 30% a 90%. Certifique-se de que o padrão do seu produto corresponda a um nível de teste antes de selecionar os componentes. A impedância do gerador indica quanta corrente uma determinada tensão injeta na sua placa.
Como as sobretensões tensionam as junções semicondutoras
Uma descarga atmosférica ou surto de comutação atinge sua placa de duas maneiras. A tensão transitória de modo comum impulsiona a corrente através do cabo de interface e de volta para o terra. A tensão transitória de modo diferencial aparece no próprio par de sinais. Ambas se acoplam às trilhas como surtos e picos elétricos, e ambas atingem primeiro a junção mais frágil.
As junções semicondutoras falham primeiro porque concentram a corrente em um volume minúsculo. Uma tensão transitória que ultrapassa a região de ruptura reversa descarrega energia em uma pequena área de silício. O aquecimento localizado ocorre em seguida, e a junção entra em curto-circuito. É por isso que um protetor contra surtos no conector é mais importante do que um circuito integrado robusto. O dispositivo de proteção deve desviar a energia antes que ela atinja o chip.
Defina primeiro o ambiente de surtos e teste o nível de proteção. Todas as decisões posteriores, desde a fase de proteção contra surtos até o layout, dependerão desse valor.
Arquitetura de Supressão de Surtos em Etapas
Um único dispositivo não consegue absorver a descarga atmosférica e ainda proteger firmemente o circuito integrado. É necessário um sistema de proteção em estágios. Cada estágio lida com a energia que suporta adequadamente, e os estágios compartilham a sobrecarga.
Coordenação de MOVs, GDTs e diodos TVS
O modelo de três estágios utiliza um tubo de descarga de gás (GDT) na entrada de serviço, um varistor de óxido metálico (MOV) no meio e um diodo de supressão de tensão transiente (TVS) próximo ao circuito protegido. Um estágio de proteção contra surtos na entrada de serviço desvia a corrente de pico. O estágio intermediário absorve a corrente que passa. O estágio final limita a tensão residual no pino do CI.
Parâmetro | GDT | MOV | Diodo TVS |
|---|---|---|---|
velocidade de resposta | 100 ns – 1 µs | 1 – 25 ns | Subnanossegundo |
capacidade de lidar com corrente de surto | 5 – 100 kA | 500 A – 40 kA | 10 - 500 A |
Absorção de energia | Alto (kJ via arco) | 10 J – 2 kJ | 0.1 - 50J |
comportamento de fixação | Pé de cabra | Taxa de fixação moderada | Taxa de fixação apertada |
A coordenação depende do desacoplamento da impedância entre os estágios. Adiciona-se indutância ou resistência para que a energia do surto se espalhe pela cadeia. Sem isso, o dispositivo mais rápido dispara primeiro e absorve todo o evento. Um TVS limita o sobreimpulso em picossegundos. A tensão crescente na impedância em série dispara o MOV em nanossegundos. A corrente extrema inicia o arco do GDT em centenas de nanossegundos e descarrega dezenas de quiloamperes para o terra.
Comportamento de fixação versus comportamento de alavanca
Um varistor de óxido metálico e um circuito supressor de tensão transiente. Eles mantêm a tensão em um nível definido e dissipam a energia. Um GDT e um circuito de proteção SIDACtor. Eles interrompem o circuito e, em seguida, travam em um estado condutivo de baixa tensão.
A baixa tensão de retenção de uma barra de proteção permite que ela suporte uma corrente de falha mais alta com pouca dissipação de energia, podendo assim sustentar correntes mais altas por períodos mais longos do que uma pinça de choque.
Essa resistência tem uma condição. O circuito de proteção permanece travado a menos que a corrente de fuga seja eliminada. É necessário adicionar um fusível, um PTC ou uma impedância de fonte que limite a corrente abaixo do nível de retenção. Verifique se a corrente é eliminada em temperaturas extremas. Um dispositivo de proteção contra sobretensão não precisa de eliminação de sobretensão, mas se sobrecarrega a cada evento. Os varistores (MOVs) se degradam após impactos repetidos. Os diodos TVS têm uma vida útil maior, mas suportam muito menos energia.
Os fusíveis de proteção contra surtos protegem contra curtos-circuitos no protetor contra surtos. Dimensionar o fusível deve ser superior à corrente normal de operação e inferior à capacidade de corrente de falha do dispositivo. Verifique o modo de falha de cada componente. Um MOV ou TVS em curto-circuito geralmente significa que o surto excedeu sua capacidade nominal. Corrente de fuga elevada indica degradação devido a surtos repetidos. Falhas repetidas significam que você escolheu um dispositivo com capacidade insuficiente. Erros de comunicação nas linhas de dados geralmente são causados por um componente de alta capacitância. O posicionamento inadequado, longe do conector, também enfraquece qualquer esquema de supressão e filtragem de surtos.
Selecionando um dispositivo de proteção contra surtos
Dimensionamento e tensão de fixação
Comece pela tensão de bloqueio. A tensão de bloqueio reversa deve ser maior que a tensão máxima normal da linha. Isso inclui tolerância da fonte de alimentação, ondulação, sobretensão e variações de temperatura. Uma linha de 5V pode atingir 5.25V ou 5.5V durante a operação normal, portanto, uma tensão de bloqueio de 5V pode causar fuga de corrente ou até mesmo a ativação da tensão durante o uso normal. Não confunda tensão de ruptura com tensão de bloqueio. A baixa fuga de corrente é garantida na tensão de bloqueio, não no ponto de ruptura.
Parâmetro | Significado | Regra de seleção |
|---|---|---|
Tensão de bloqueio reversa | Tensão contínua máxima com baixa fuga de corrente especificada. | Deve ser superior à tensão máxima de linha válida. |
Tensão de aperto | Tensão através do dispositivo durante um pulso definido | Deve permanecer abaixo do limite transitório seguro do circuito protegido. |
Corrente de pulso de pico | Corrente de pulso máxima para uma determinada forma de onda | Deve exceder a corrente transitória esperada. |
Potência de pulso de pico | Potência máxima de pulso de curta duração | Deve exceder a potência de pulso calculada reduzida. |
Em seguida, estime a corrente de pico e verifique o circuito de proteção. Para uma entrada industrial de 24 V, um circuito de proteção de 33 V funciona bem. Com uma fonte de 1000 V, um circuito de proteção de 54 V e uma resistência de fonte de 42 Ω, a corrente de pulso de 8/20 µs é de aproximadamente 22.5 A. Se o circuito protegido suportar 60 V, esse circuito de proteção de 54 V deixa apenas 6 V de margem antes da sobretensão na placa de circuito impresso. Nunca ignore a tensão de proteção. Um diodo pode suportar o pulso, mas ainda permitir a passagem de tensão transitória suficiente para danificar o CI protegido.
Não escolha uma tensão de bloqueio baseada apenas na tensão nominal do trilho. Certifique-se de que a forma de onda na folha de dados corresponda à ameaça esperada e aplique a redução de potência de pico do pulso de acordo com a temperatura.
Posicionamento e comprimento do cabo
Instale o dispositivo de proteção contra surtos no conector, antes de qualquer outra conexão. Cabos de conexão longos aumentam a impedância e a queda de tensão indutiva. Quando uma corrente transitória de alta frequência flui, essa impedância eleva a tensão residual de proteção que chega aos equipamentos subsequentes. O nível de proteção diminui e cargas sensíveis ficam sujeitas a tensões acima de sua capacidade de suportar impulsos.
Mantenha os cabos curtos, retos e diretos. O comprimento máximo sugerido para o cabo entre o para-raios e a rede elétrica ou o aterramento é de 0.5 metros, frequentemente chamado de regra dos 50 centímetros. Os cabos entre o para-raios e o equipamento não devem ultrapassar 10 metros. Se ultrapassar essa distância, adicione um segundo protetor contra surtos coordenado mais próximo do equipamento.
O comprimento do cabo para conectar o para-raios aos terminais do equipamento e ao aterramento deve ser minimizado e instalado o mais reto possível, evitando curvas.
As restrições de DFM (Design for Manufacturing) influenciam a escolha aqui. Os encapsulamentos de supressores de tensão transiente de passo fino limitam o tamanho da área de contato e o espaçamento entre os componentes. Posicione o componente no lado de entrada do surto em qualquer divisão e mantenha o caminho de retorno na mesma camada. Um dispositivo de proteção contra surtos certificado e com classificação adequada ainda falhará se a empresa de montagem não conseguir manter a geometria da área de contato.
Projeto de aterramento para proteção contra surtos
Terra protetora versus terra de sinal
O terra de proteção e o terra de sinal têm funções diferentes. O terra de proteção conduz a corrente de falha e mantém o chassi no potencial de terra. Dessa forma, uma pessoa que toca na carcaça permanece segura. O terra de sinal é a referência para o seu circuito. Ele pode estar em qualquer tensão em relação ao chassi. Trate-os como redes separadas até que você defina o ponto de conexão entre elas.
Aspecto | Orientação |
|---|---|
terra do sinal versus terra do chassi | O terra do circuito não precisa ser conectado ao terra do chassi. Em um dispositivo alimentado por USB, o fio GND é conectado ao terra do circuito e a blindagem ao chassi. |
Colagem de ponto único | Conecte o fio terra da alimentação do circuito ao chassi em apenas um ponto. |
Ligação de alta frequência | Adicione um pequeno capacitor de algumas centenas de pF do terra do circuito para a blindagem para atenuar o ruído de alta frequência. |
Manuseio de escudo | Mantenha a blindagem e o retorno de sinal como pontos separados. Uma blindagem bloqueia campos e não deve conduzir corrente, a menos que seja projetada para isso. |
Ruído e loops | Separar a referência do circuito da blindagem elimina os caminhos de ruído dos caminhos de retorno do sinal. Isso evita loops de terra, oscilações e ruído na fonte de alimentação. |
Conecte o chassi ao terra do sinal em um ponto e, em seguida, adicione o pequeno capacitor para o retorno de alta frequência. Isso mantém a conexão de segurança sólida e oferece ao ruído um caminho curto em altas frequências.
Aterramento de ponto único, multiponto e híbrido
O aterramento em ponto único conecta todos os retornos a um nó comum. Ele limita os loops de terra e mantém todas as partes em um potencial comum durante uma tempestade com raios. Sua eficácia é comprometida acima de aproximadamente 10 MHz, onde condutores longos atuam como antenas. O aterramento multiponto oferece múltiplos caminhos para as correntes de terra e equaliza os potenciais. No entanto, ele também favorece a formação de loops e correntes parasitas através da estrutura metálica da construção. O aterramento híbrido combina ambos: uma estrutura principal de ponto único com subsistemas multiponto.
Para circuitos que operam entre 1 MHz e 30 MHz, utiliza-se uma abordagem híbrida. Se o comprimento do fio terra for menor que 1/20 do comprimento de onda do sinal de operação, utiliza-se aterramento em ponto único. Caso contrário, utiliza-se aterramento em múltiplos pontos.
Planeje as divisões e emendas do plano de terra considerando a corrente de retorno. Uma divisão sob um sinal força sua corrente de retorno a desviar, e esse laço irradia. Faça a emenda na divisão com capacitores ou uma ponte estreita onde o sinal precisa cruzar. Projete o aterramento para o dispositivo de proteção contra surtos e o equipamento protegido em conjunto. O protetor contra surtos precisa de um caminho curto e de baixa indutância para a terra. O equipamento precisa de sua própria referência. Passe o condutor de aterramento dos dispositivos de proteção contra surtos para um ponto de aterramento comum e mantenha esse condutor separado dos retornos de sinal. Conecte os condutores de fase, neutro e aterramento do equipamento na entrada de serviço, conforme exigido pelas normas locais. Em seguida, aterre os supressores nesse mesmo ponto. Um fio de aterramento longo e compartilhado eleva a tensão transitória em todos os estágios e anula a coordenação que você construiu. A proteção eficaz contra raios depende dessa referência de aterramento compartilhada, e não apenas do supressor. Direcione o retorno da supressão de surtos primeiro e, em seguida, coloque os aterramentos de sinal ao redor dele.
Layout de PCB e técnicas de isolamento
Deslizamento, folga e ranhuras
A distância de fuga é o caminho ao longo da superfície entre dois condutores. A distância de isolamento é o espaço em linha reta através do ar. Uma tensão transitória irá saltar através de qualquer um deles se a distância for muito curta. Ao cortar uma ranhura entre os pads de alta tensão, você aumenta o comprimento do caminho de fuga na superfície. Uma ranhura de 1 mm de largura entre os pads pode quase dobrar o comprimento do caminho de fuga na superfície. Isso reduz drasticamente a probabilidade de trilhas ou arcos elétricos. Uma ranhura de 2 mm de largura adiciona vários milímetros ao caminho de fuga sem aumentar o tamanho da placa.
Utilize ranhuras e barreiras físicas quando o tamanho da placa dificultar a manutenção de grandes distâncias de fuga. Um conversor compacto de 800 V pode atender ao espaçamento necessário com uma ranhura de 1 mm e um bom material isolante. Um controlador de motor industrial de 1200 V (grau de poluição 2, IPC-2221, material do Grupo II) utiliza uma ranhura com revestimento conformal para ser instalado em uma placa pequena. Evite curvas e bordas afiadas nas trilhas, pois elas concentram o campo elétrico. Mantenha as trilhas de alta tensão afastadas das camadas internas. Qualquer padrão metálico com uma borda afiada pode elevar o campo através de um isolante e causar um arco voltaico.
Indutores de modo comum, capacitores Y e barreiras de isolamento
Um indutor de modo comum bloqueia o ruído comum a duas ou mais linhas de alimentação. Seus enrolamentos opostos cancelam a corrente diferencial e apresentam alta impedância ao ruído de modo comum. Posicione-o próximo à entrada da rede elétrica e coordene-o com os capacitores X e Y e o estágio de proteção contra surtos. Os capacitores Y desviam o ruído de modo comum para o terra. Os capacitores X filtram o ruído de modo diferencial entre a linha e o neutro. Juntamente com o diodo de supressão de tensão transiente e os demais dispositivos de proteção contra surtos, esses componentes formam os filtros de supressão de surtos e de alta frequência que mantêm a tensão transiente residual fora do circuito integrado.
Um indutor de ferrite satura. Uma sobretensão de modo comum de alta energia pode saturar o núcleo e passar diretamente através dele. Projete uma proteção contra surtos separada, além do indutor, e nunca trate o indutor como supressor de surtos. Dimensione os capacitores Y de acordo com sua classe de tensão conforme a norma IEC 60384-14 e confirme se o componente suporta a tensão de pico desejada.
O DFM (Design for Manufacturing) define tudo isso. O cobre fica a cerca de 0.3–0.4 mm do contorno para as regras de fabricação, mas a área de fuga (ou fuga de corrente) contorna a borda até o chassi. Um slot de isolamento não pode ser metalizado e o roteamento precisa de aproximadamente 1.0–1.5 mm, portanto, o caminho elétrico deve ficar livre das extremidades do slot. Fluxo e esferas de solda na zona de isolamento atuam como poluição instalada. Considere essa faixa como uma área de exclusão para componentes, vias, serigrafia e pontos de teste. Não reduza a área de fuga no CAD presumindo que haverá revestimento, a menos que você especifique e inspecione a área de fuga.
Área de restrição | Compensação na fabricação |
|---|---|
rasgo da borda da placa | O recuo do cobre deixa um caminho ao redor da borda até o chassi. |
slot de isolamento | Não pode ser revestido; a largura da fresagem força o caminho ao redor das extremidades da ranhura. |
Vias ao longo da barreira | As estreitas barreiras da máscara são costuradas de almofada a almofada na superfície. |
Resíduo de montagem | O fluxo e as esferas de solda atuam como contaminantes na zona de isolamento. |
Revestimento isolante | Reduz o nível de poluição somente se especificado e inspecionado. |
Uma breve descarga de alta tensão atinge o conector. Ela encontra o ponto mais frágil do chip e o danifica. A proteção em estágios reduz a energia. O aterramento e o layout determinam se a proteção resistirá. A proteção contra surtos é um sistema completo, não apenas uma parte isolada.
Aqui estão os pontos principais novamente. Primeiro, defina seu ambiente de surto e os níveis de teste. Faça com que os estágios MOV, GDT e TVS funcionem em conjunto adicionando impedância entre eles. Mantenha os cabos do protetor contra surtos curtos e retos. Planeje o caminho para o terra antes de fazer o layout. Siga as regras de distância de fuga, isolamento e limites DFM. Posicione cada supressor de surto de forma que ele desvie a corrente para o terra do chassi.
Antes da próxima construção, compare seu sistema atual de supressão de surtos, aterramento e layout com essas ideias.
Perguntas frequentes
Por que um transceptor falha quando o protetor contra surtos parece estar funcionando corretamente?
O protetor pode ter sido fixado muito lentamente ou estar muito distante do conector. Cabos longos aumentam a queda indutiva, fazendo com que a tensão residual no CI suba acima do limite. Verifique o comprimento dos cabos e o caminho de retorno para o terra antes de culpar o componente.
Um único diodo TVS consegue proteger uma placa sozinho?
Não. Um TVS (Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas) tem alta capacidade de dissipação, mas suporta pouca energia. Uma descarga atmosférica excede sua capacidade nominal. Você precisa de um estágio GDT (Dispositivo de Transferência de Energia) ou MOV (Variância de Modulação de Energia) antes dele, com impedância entre os estágios para que a energia se espalhe pela cadeia.
Qual o comprimento mínimo que os cabos do protetor contra surtos devem ter?
Mantenha a ligação à rede elétrica ou à terra com menos de 0.5 metros de comprimento, em linha reta e com poucas curvas. Mantenha os cabos entre o para-raios e o equipamento com menos de 10 metros de comprimento. Além disso, adicione um segundo protetor coordenado mais próximo da carga.
Onde devo conectar o terra do chassi ao terra do sinal?
Una os dois componentes em um ponto e, em seguida, adicione um pequeno capacitor de algumas centenas de pF para o retorno de alta frequência. Isso mantém a ligação de segurança sólida e oferece ao ruído um caminho curto sem criar um loop de terra.
