Прибор возвращается с места эксплуатации с дырой на месте, где раньше находился драйвер линии. Заказчик утверждает, что неподалеку ударила молния, но не прямым попаданием. Микросхема тестируется отдельно и проходит все проверки на стенде. Настоящая причина кроется в другом: ограничитель перенапряжения срабатывал слишком медленно, его выводы были слишком длинными, а путь заземления изначально не был предусмотрен. Микросхема выполнила свою функцию. Система — нет.
Защита от перенапряжений и заземление — это ваша задача как разработчика, а не поставщика микросхем. Игнорирование этих моментов приведет к циклам возврата по гарантии, повторным отказам в эксплуатации и риску для безопасности. Итак, как переходное напряжение воздействует на переход в соответствии с IEC 61000-4-5? Почему защитные каскады должны работать вместе? Где находится устройство защиты от перенапряжений, и как заземление и компоновка определяют, будет ли вообще работать защита от молнии/перенапряжений?
Основные выводы
Сначала определите условия возникновения скачков напряжения и протестируйте уровни. Это поможет вам принимать взвешенные решения в дальнейшем.
Обеспечьте согласованную работу защитных каскадов. Добавьте между ними импеданс, чтобы они распределяли энергию импульсного перенапряжения.
Провода сетевого фильтра должны быть короткими и прямыми. Длинные провода увеличивают напряжение.
Перед установкой платы спланируйте путь заземления. Короткий путь заземления с низкой индуктивностью обеспечит эффективную защиту.
Соблюдайте правила утечки, зазора и проектирования для обеспечения надежности и долговечности . Эти правила предотвращают перескок переходных процессов через зазоры.
Угрозы роста цен на уровне совета директоров
Уровни испытаний IEC 61000-4-5
Стандарт IEC 61000-4-5 определяет формы импульсных сигналов, на основе которых проектируются устройства. Наиболее распространенным источником является генератор комбинированных импульсов. Он генерирует напряжение холостого хода длительностью 1.2/50 мкс и ток короткого замыкания длительностью 8/20 мкс, поэтому инженеры называют его импульсным сигналом «1.2/50-8/20 мкс». Его эффективное выходное сопротивление составляет 2 Ом, что является отношением пикового напряжения холостого хода к пиковому току короткого замыкания. Наружное телекоммуникационное оборудование, напротив, получает импульс от генератора большей энергии, генерирующего напряжение длительностью 10/700 мкс и ток длительностью 5/320 мкс.
Набор волновых форм | Форма волны напряжения | Текущая форма волны | Типичное применение |
|---|---|---|---|
Комбинированная волна | 1.2 мкс / 50 мкс | 8 мкс / 20 мкс | Большинство приложений |
Генератор более высокой энергии | 10 мкс / 700 мкс | 5 мкс / 320 мкс | Внешние телекоммуникационные сети |
Время нарастания и длительность фронта — это виртуальные параметры, а не просто время нарастания. Для напряжения холостого хода время нарастания равно 1.67 умноженному на время нарастания от 30% до 90%. Перед выбором компонентов подберите стандартный уровень тестирования вашего продукта. Импеданс генератора показывает, какой ток заданное напряжение подает на вашу плату.
Как скачки напряжения воздействуют на полупроводниковые переходы
Скачок напряжения, вызванный молнией или импульсным перенапряжением, достигает вашей платы двумя путями. Синфазное переходное напряжение проталкивает ток через интерфейсный кабель и обратно через землю. Дифференциальное переходное напряжение проявляется на самой сигнальной паре. Оба типа напряжения передаются на дорожки в виде электрических импульсов и всплесков, и оба сначала достигают самого слабого узла.
Полупроводниковые переходы выходят из строя первыми, потому что они концентрируют ток в крошечном объеме. Переходное напряжение, превышающее область обратного пробоя, сбрасывает энергию в небольшой участок кремния. Затем следует локальный нагрев, и переход замыкается накоротко. Именно поэтому защита от перенапряжения на разъеме важнее, чем надежная интегральная схема. Устройство защиты должно отводить энергию до того, как она достигнет кристалла.
Сначала определите условия возникновения скачков напряжения и протестируйте уровень защиты. Все последующие решения, от выбора типа защиты от скачков напряжения до планировки помещения, зависят от этого показателя.
Архитектура поэтапного подавления скачков напряжения
Одно устройство не может выдержать скачок напряжения от молнии и при этом надежно закрепиться на микросхеме. Необходима многоступенчатая система защиты. Каждая ступень справляется с той энергией, с которой она способна справиться, и нагрузки распределяются между ступенями.
Координирование варисторов (MOV), газоразрядных транзисторов (GDT) и TVS-диодов.
Трехступенчатая модель включает газоразрядную трубку (ГДТ) на входе в сеть, металлооксидный варистор (МОВ) посередине и диод подавления переходных напряжений (ДПН) рядом с защищаемой цепью. Этап защиты от перенапряжения на входе в сеть отводит основной ток. Этап поглотит проходящий ток. Этап на выходе ограничивает остаточное напряжение на выводе микросхемы.
Параметр | GDT | MOV | ТВС Диод |
|---|---|---|---|
скорость реакции | 100 нс – 1 мкс | 1 – 25 нс | Субнаносекундный |
Управление импульсным током | 5 – 100 кА | 500 А – 40 кА | 10 - 500 A |
Поглощение энергии | Высокий (кДж через дугу) | 10 Дж – 2 кДж | 0.1 – 50 Дж |
Поведение при зажиме | Лом | Умеренное соотношение зажима | Жесткое соотношение зажима |
Координация зависит от развязки импеданса между каскадами. Добавьте индуктивность или сопротивление, чтобы энергия импульсного сигнала распределялась по всей цепи. Без этого самое быстрое устройство срабатывает первым и поглощает весь импульс. TVS-датчик ограничивает перерегулирование за пикосекунды. Затем возрастающее напряжение на последовательном импедансе запускает MOV за наносекунды. Экстремальный ток воспламеняет дугу GDT в течение сотен наносекунд и сбрасывает десятки килоампер на землю.
Поведение при использовании зажимов и лома
Варистор из оксида металла и ограничитель переходного напряжения. Они поддерживают напряжение на заданном уровне и сами рассеивают энергию. Также используются датчик напряжения GDT и ограничитель SIDACtor. Они перегорают, а затем защелкиваются в низковольтном проводящем состоянии.
Низкое удерживающее напряжение лома позволяет ему пропускать более высокий ток короткого замыкания с минимальным рассеиванием мощности, поэтому он может выдерживать более высокие токи в течение более длительного времени, чем клещи.
Эта прочность имеет одно условие. Защитный стержень остается зафиксированным, пока цепь не отключит ток. Необходимо добавить предохранитель, терморезистор PTC или сопротивление источника, ограничивающее ток ниже уровня удержания. Проверьте отключение тока при экстремальных температурах. Ограничительное устройство не требует отключения, но оно подвергается нагрузке при каждом срабатывании. Варисторы MOV изнашиваются после многократных ударов. Диоды TVS служат дольше, но выдерживают гораздо меньшую энергию.
Резервные предохранители защищают от короткого замыкания в сетевом фильтре. Выбирайте предохранитель номиналом выше нормального рабочего тока и ниже допустимого тока короткого замыкания устройства. Проверьте режим отказа каждой детали. Короткое замыкание варистора или транзистора обычно означает, что скачок напряжения превысил его номинальный ток. Повышенный ток утечки указывает на деградацию из-за многократных скачков напряжения. Повторные отказы означают, что вы выбрали слишком малое устройство. Ошибки связи на линиях передачи данных часто связаны с высокоемкостной деталью. Неправильное размещение далеко от разъема также ослабляет любую схему подавления и фильтрации скачков напряжения.
Выбор устройства защиты от перенапряжения
Расчет размеров и напряжение ограничения
Начнем с напряжения пробоя. Обратное напряжение пробоя должно быть выше самого высокого нормального напряжения сети. Это включает в себя допуск питания, пульсации, перерегулирование и изменения температуры. Напряжение на шине 5 В может достигать 5.25 В или 5.5 В во время нормальной работы, поэтому напряжение пробоя 5 В может привести к утечке или включению при нормальном использовании. Не путайте напряжение пробоя с напряжением пробоя. Низкая утечка гарантируется при номинальном напряжении пробоя, а не в точке пробоя.
Параметр | Смысл | Правило выбора |
|---|---|---|
Обратное напряжение пробоя | Максимально высокое непрерывное напряжение при заданном низком уровне утечки. | Должно быть больше максимально допустимого напряжения в сети. |
Напряжение зажима | Напряжение на устройстве во время заданного импульса | Непрерывность сигнала должна оставаться ниже безопасного предела переходных процессов защищаемой цепи. |
Пиковый импульсный ток | Максимальный импульсный ток для заданной формы сигнала | Должен превышать ожидаемый переходный ток. |
Пиковая импульсная мощность | Максимальная мощность кратковременного импульса | Мощность импульса должна превышать расчетную мощность импульса с учетом снижения мощности. |
Далее оцените импульсный ток и проверьте ограничитель. Для промышленного входного напряжения 24 В подойдет ограничитель на 33 В. При источнике 1000 В, ограничителе на 54 В и сопротивлении источника 42 Ом импульсный ток 8/20 мкс составляет около 22.5 А. Если защищаемая цепь может выдерживать 60 В, то ограничитель на 54 В оставляет всего 6 В запаса до перерегулирования на печатной плате. Никогда не игнорируйте напряжение ограничения. Диод может выдержать импульс, но все же пропустить достаточное переходное напряжение, чтобы повредить защищаемую микросхему.
Не следует определять напряжение пробоя только по номинальному напряжению питания. Убедитесь, что форма сигнала, указанная в техническом описании, соответствует ожидаемой угрозе, и учитывайте снижение мощности пикового импульса при изменении температуры.
Размещение и длина провода
Установите устройство защиты от перенапряжения на разъеме, прежде чем проводник пойдет куда-либо еще. Длинные соединительные провода увеличивают импеданс и индуктивное падение напряжения. Когда протекает высокочастотный переходный ток, этот импеданс повышает остаточное напряжение ограничения, достигающее оборудования, расположенного ниже по потоку. Уровень защиты падает, и чувствительные нагрузки подвергаются воздействию напряжений, превышающих их допустимый импульсный ток.
Провода должны быть короткими, прямыми и направленными. Рекомендуемая максимальная длина провода между разрядником и электросетью или заземлением составляет 0.5 метра, что часто называют правилом 50 сантиметров. Длина кабелей между разрядником и оборудованием не должна превышать 10 метров. При большей длине следует установить второй координированный ограничитель перенапряжения ближе к оборудованию.
Длина проводов, соединяющих ограничитель перенапряжения с клеммами оборудования и заземлением, должна быть сведена к минимуму, а сами провода должны быть проложены как можно прямее, с минимальным количеством изгибов.
Здесь выбор определяется ограничениями DFM (проектирование для производства). Корпуса ограничителей переходных напряжений с малым шагом ограничивают размер контактной площадки и зазор между ней и платой. Разместите компонент со стороны входа импульса в любой разъем и сохраните обратный путь на том же слое. Сертифицированное и правильно рассчитанное устройство защиты от перенапряжения все равно выйдет из строя, если сборочный цех не сможет обеспечить необходимую геометрию контактной площадки.
Схема заземления для защиты от перенапряжения
Защитное заземление против сигнального заземления
Защитное заземление и сигнальное заземление выполняют разные функции. Защитное заземление отводит ток короткого замыкания и поддерживает потенциал корпуса на уровне земли. Таким образом, человек, прикасающийся к корпусу, остается в безопасности. Сигнальное заземление является опорным для вашей цепи. Оно может находиться под любым напряжением относительно корпуса. Рассматривайте их как отдельные цепи, пока не определитесь с местом их соединения.
Аспект | Руководство |
|---|---|
Сигнальное заземление против заземления шасси | Заземление цепи не обязательно должно соединяться с заземлением корпуса. В устройстве с питанием от USB провод GND подключается к заземлению цепи, а экран — к корпусу. |
Одноточечное соединение | Подключите заземление цепи к шасси только в одной точке. |
Высокочастотная сварка | Добавьте небольшой конденсатор емкостью в несколько сотен пикофарад от заземления цепи к экрану, чтобы шунтировать высокочастотные помехи. |
Обращение со щитом | Экран и обратный сигнал следует рассматривать как отдельные точки. Экран блокирует поля и не должен пропускать ток, если вы не спроектировали его соответствующим образом. |
Шум и петли | Разделение опорного сигнала цепи от экрана позволяет отделить пути распространения шума от путей возврата сигнала. Это предотвращает возникновение контурных помех, колебаний и фонового шума питания. |
Подключите шасси к сигнальной земле в одной точке, затем добавьте небольшой конденсатор для отражения высокочастотных помех. Это обеспечит надежное защитное соединение и укоротит путь для шума на высоких частотах.
Одноточечное, многоточечное и гибридное заземление
Одноточечное заземление соединяет все обратные провода с одним общим узлом. Оно ограничивает образование контуров заземления и поддерживает общий потенциал всех частей во время грозы. Оно перестает работать выше примерно 10 МГц, где длинные проводники действуют как антенны. Многоточечное заземление обеспечивает множество путей для токов заземления и выравнивает потенциалы. Оно также способствует образованию контуров и блуждающих токов через стальные конструкции зданий. Гибридное заземление сочетает в себе оба подхода: одноточечную магистраль и многоточечные подсистемы.
Для цепей, работающих в диапазоне частот от 1 МГц до 30 МГц, используется гибридный подход. Если длина заземляющего провода меньше 1/20 длины волны рабочего сигнала, используется одноточечное заземление. В противном случае используется многоточечное заземление.
При планировании разделения и соединения заземляющих плоскостей учитывайте обратный ток. Разделение под сигнальным проводником заставляет его обратный ток обходить препятствие, и эта петля излучается. Соедините разделительные линии конденсаторами или узким мостиком в месте, где должен пройти сигнальный проводник. Разработайте схему заземления для устройства защиты от перенапряжений и защищаемого оборудования. Устройство защиты от перенапряжений должно иметь короткий путь заземления с низкой индуктивностью. Оборудование должно иметь собственную точку заземления. Проложите заземляющий проводник от устройств защиты от перенапряжений к общей точке заземления и отделите этот проводник от обратных проводников сигнальных линий. Соедините фазный, нейтральный и заземляющий проводники оборудования на вводном устройстве в соответствии с требованиями местных норм. Затем заземлите подавители перенапряжений в той же точке. Длинный общий заземляющий проводник повышает переходное напряжение на каждом каскаде и нарушает созданную вами координацию. Эффективная молниезащита зависит от этой общей точки заземления, а не только от подавителя перенапряжений. Сначала проложите обратный провод подавителя перенапряжений, а затем расположите вокруг него заземляющие провода сигнальных линий.
Разработка печатных плат и методы изоляции.
Просачивание, зазор и прорезка
Путевое движение — это путь утечки по поверхности между двумя проводниками. Зазор — это прямой зазор в воздухе. Переходное напряжение будет перескакивать через любой из них, если расстояние слишком мало. Прорезь между высоковольтными контактными площадками удлиняет поверхностный путь. Прорезь шириной 1 мм между контактными площадками может почти удвоить длину поверхностного пути. Это резко снижает вероятность образования дорожек или искрения. Прорезь шириной 2 мм добавляет несколько миллиметров к пути утечки, не увеличивая размер платы.
Используйте пазы и физические барьеры, когда размеры платы затрудняют поддержание больших расстояний утечки. Компактный преобразователь на 800 В может обеспечить необходимое расстояние утечки с помощью паза шириной 1 мм и качественного изоляционного материала. Промышленный контроллер двигателя на 1200 В (степень загрязнения 2, IPC-2221, материал группы II) использует паз в сочетании с конформным покрытием для прохождения тока через небольшую плату. Избегайте острых поворотов и краев дорожек, поскольку они создают напряженность электрического поля. Не допускайте прокладки дорожек с очень высоким напряжением на внутренних слоях. Любой металлический рисунок с острым краем может повысить напряженность поля на изоляторе и вызвать пробой.
Дроссели синфазного сигнала, Y-конденсаторы и разделительные барьеры
Дроссель синфазного режима блокирует помехи, общие для двух или более линий электропередачи. Его противоположные обмотки компенсируют дифференциальный ток и обладают высоким сопротивлением синфазным помехам. Разместите его рядом с входом сети и согласуйте его работу с конденсаторами X и Y и каскадом защиты от перенапряжения. Конденсаторы Y отводят синфазные помехи на землю. Конденсаторы X фильтруют дифференциальные помехи между линией и нейтралью. Вместе с диодом подавления переходных напряжений и другими устройствами защиты от перенапряжения эти компоненты образуют фильтры подавления перенапряжений и высокочастотные фильтры, которые предотвращают попадание остаточных переходных напряжений на микросхему.
Ферритовый дроссель насыщается. Высокоэнергетический синфазный импульс может насытить сердечник и пройти насквозь. Разработайте отдельную защиту от перенапряжения в дополнение к дросселю и никогда не рассматривайте дроссель как подавитель перенапряжения. Выбирайте Y-конденсаторы по их классу в соответствии со стандартом IEC 60384-14 и убедитесь, что компонент выдерживает целевое пиковое напряжение.
Все это определяется принципом DFM (проектирование для производства). Медь выступает примерно на 0.3–0.4 мм за контур согласно правилам изготовления, однако затем утечка тока проходит по краю к шасси. Изолирующий паз нельзя покрыть металлом, а для трассировки требуется примерно 1.0–1.5 мм, поэтому электрический путь должен проходить над концами паза. Флюс и шарики припоя в зоне изоляции действуют как загрязнение при монтаже. Рассматривайте эту зону как зону, препятствующую прохождению компонентов, переходных отверстий, шелкографии и контрольных точек. Не следует уменьшать утечку тока в CAD-моделях, предполагая наличие покрытия, если вы не указали и не проверили это.
Ограниченная область | Компромисс в производстве |
|---|---|
ползучесть по краю платы | Медная прослойка оставляет след по краю, ведущий к корпусу. |
Изоляционный слот | Невозможно гальваническое покрытие; ширина фрезеровки вынуждает обходить концы пазов. |
Виас вдоль барьера | Узкие маски-ограничители сшивают подушечки друг с другом на поверхности. |
Остатки сборки | Флюс и припойные шарики загрязняют зону изоляции. |
Защитное покрытие | Снижает степень загрязнения только в том случае, если это указано и проверено. |
На разъем поступает короткий импульс высокого напряжения. Он находит самое слабое место в микросхеме и выводит ее из строя. Поэтапная защита замедляет этот импульс. Затем заземление и компоновка определяют, выдержит ли зажим. Защита от перенапряжения — это целостная система, а не просто ее часть.
Вот основные моменты еще раз. Во-первых, определите условия скачков напряжения и уровни тестирования. Обеспечьте совместную работу каскадов MOV, GDT и TVS, добавив между ними импеданс. Держите выводы устройства защиты от перенапряжения короткими и прямыми. Спланируйте путь к заземлению до начала монтажа. Соблюдайте правила для расстояния утечки, зазоров и пределов DFM. Разместите каждый ограничитель перенапряжения так, чтобы он отводил ток на заземление корпуса.
Перед началом строительства сравните существующую систему защиты от перенапряжения, заземления и планировку помещения с этими рекомендациями.
FAQ
Почему трансивер выходит из строя, если сетевой фильтр выглядит исправным?
Возможно, защитное устройство срабатывало слишком медленно или находилось слишком далеко от разъема. Длинные провода создают индуктивное падение напряжения, поэтому остаточное напряжение на микросхеме превышает допустимый предел. Прежде чем обвинять компонент, проверьте длину проводов и обратный путь к заземлению.
Может ли один TVS-диод защитить плату самостоятельно?
Нет. TVS-транзистор быстро срабатывает, но выдерживает небольшую энергию. Скачок напряжения от молнии превышает его номинальные характеристики. Перед ним необходим каскад GDT или MOV с импедансом между каскадами, чтобы энергия распределялась по всей цепи.
Какой должна быть длина кабелей сетевого фильтра?
Подключение к электросети или заземлению должно быть выполнено на расстоянии не более 0.5 метра, прямым и с минимальным количеством изгибов. Длина кабелей между разрядником и оборудованием не должна превышать 10 метров. При большем расстоянии следует установить второй координированный защитный разрядник ближе к нагрузке.
В каком месте следует соединить заземление шасси с сигнальным заземлением?
Соедините их в одной точке, затем добавьте небольшой конденсатор емкостью в несколько сотен пикофарад для отражения высокочастотных сигналов. Это обеспечит надежное защитное соединение и позволит шуму проходить по короткому пути, не создавая контура заземления.
