คู่มือวิศวกรฮาร์ดแวร์เกี่ยวกับการออกแบบระบบป้องกันไฟกระชากและระบบสายดิน

ตัวรับส่งสัญญาณถูกส่งกลับมาจากภาคสนามโดยมีรูตรงตำแหน่งที่เคยเป็นวงจรขับสายสัญญาณ ลูกค้าบอกว่าฟ้าผ่าใกล้ๆ ไม่ได้โดนฟ้าผ่าโดยตรง คุณทดสอบไอซีตัวนั้นเพียงอย่างเดียวและมันผ่านการตรวจสอบทุกอย่าง สาเหตุที่แท้จริงอยู่ที่อื่น: อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากตัดกระแสไฟช้าเกินไป สายไฟยาวเกินไป และเส้นทางต่อลงดินไม่ได้ออกแบบมาอย่างถูกต้อง ชิ้นส่วนนั้นทำงานได้ แต่ระบบโดยรวมล้มเหลว

การป้องกันไฟกระชากและการต่อสายดินเป็นหน้าที่ของคุณในฐานะผู้ออกแบบ ไม่ใช่หน้าที่ของผู้ผลิตไอซี หากละเลยสิ่งเหล่านี้ คุณจะพบกับปัญหาการส่งคืนสินค้าเพื่อซ่อมแซม ความล้มเหลวซ้ำซากในภาคสนาม และความเสี่ยงด้านความปลอดภัย ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าชั่วขณะจะสร้างความเครียดให้กับจุดเชื่อมต่อภายใต้มาตรฐาน IEC 61000-4-5 ได้อย่างไร? เหตุใดขั้นตอนการป้องกันจึงต้องทำงานร่วมกัน? อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากควรอยู่ในตำแหน่งใด และการต่อสายดินและการจัดวางจะตัดสินได้อย่างไรว่าการป้องกันฟ้าผ่า/ไฟกระชากจะทำงานได้หรือไม่?

ประเด็นที่สำคัญ

• ตรวจสอบสภาพแวดล้อมที่มีกระแสไฟกระชากและระดับการทดสอบก่อนเป็นอันดับแรก สิ่งนี้จะช่วยกำหนดทุกการตัดสินใจของคุณในภายหลัง

• ทำให้ขั้นตอนการป้องกันทำงานร่วมกัน เพิ่มความต้านทานระหว่างขั้นตอนต่างๆ เพื่อให้พวกมันแบ่งปันพลังงานจากไฟกระชาก

• ควรต่อสายไฟของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากให้สั้นและตรง สายไฟที่ยาวเกินไปจะทำให้แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น

• วางแผนเส้นทางลงดินก่อนที่จะวางแผงวงจร เส้นทางลงดินที่สั้นและมีค่าความเหนี่ยวนำต่ำจะทำให้ระบบป้องกันทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

• ปฏิบัติตามกฎการคืบคลาน ระยะห่าง และกฎ DFMกฎเหล่านี้ช่วยป้องกันไม่ให้กระแสไฟฟ้าชั่วขณะกระโดดข้ามช่องว่าง

ภัยคุกคามจากภาวะเศรษฐกิจเฟื่องฟูในระดับคณะกรรมการ

ระดับการทดสอบ IEC 61000-4-5

มาตรฐาน IEC 61000-4-5 กำหนดรูปแบบคลื่นไฟกระชากที่คุณต้องใช้ในการออกแบบ เครื่องกำเนิดคลื่นแบบผสมเป็นแหล่งกำเนิดที่พบได้บ่อยที่สุด มันส่งแรงดันไฟฟ้าวงเปิด 1.2/50 µs และกระแสไฟฟ้าลัดวงจร 8/20 µs ดังนั้นวิศวกรจึงเรียกมันว่าไฟกระชาก “1.2/50-8/20 µs” อิมพีแดนซ์เอาต์พุตที่มีประสิทธิภาพคือ 2 Ω ซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าวงเปิดสูงสุดต่อกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูงสุด อุปกรณ์โทรคมนาคมกลางแจ้งจะเผชิญกับเครื่องกำเนิดพลังงานที่สูงกว่าแทน โดยมีคลื่นแรงดันไฟฟ้า 10/700 µs และคลื่นกระแสไฟฟ้า 5/320 µs

ชุดรูปคลื่น	รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้า	รูปคลื่นปัจจุบัน	แอพลิเคชันทั่วไป
คลื่นผสม	1.2 ไมโครวินาที / 50 ไมโครวินาที	8 ไมโครวินาที / 20 ไมโครวินาที	แอปพลิเคชั่นส่วนใหญ่
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานสูง	10 ไมโครวินาที / 700 ไมโครวินาที	5 ไมโครวินาที / 320 ไมโครวินาที	เครือข่ายโทรคมนาคมกลางแจ้ง

เวลาด้านหน้าและระยะเวลาเป็นพารามิเตอร์เสมือน ไม่ใช่เวลาเพิ่มขึ้นอย่างง่ายๆ สำหรับแรงดันไฟฟ้าวงเปิด เวลาด้านหน้าจะเท่ากับ 1.67 เท่าของเวลาเพิ่มขึ้น 30%–90% จับคู่มาตรฐานผลิตภัณฑ์ของคุณกับระดับการทดสอบก่อนที่คุณจะเลือกชิ้นส่วน อิมพีแดนซ์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะบอกคุณว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดจะส่งกระแสไฟฟ้าเข้าไปในแผงวงจรของคุณเท่าใด

กระแสไฟกระชากสร้างความเครียดให้กับจุดเชื่อมต่อของสารกึ่งตัวนำได้อย่างไร

ฟ้าผ่าหรือไฟกระชากจากการสวิตช์ส่งผลต่อแผงวงจรของคุณได้สองวิธี แรงดันไฟฟ้าชั่วขณะแบบคอมมอนโหมดจะผลักกระแสไฟฟ้าผ่านสายเคเบิลเชื่อมต่อและไหลกลับลงดิน ส่วนแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะแบบดิฟเฟอเรนเชียลโหมดจะปรากฏขึ้นที่คู่สัญญาณเอง ทั้งสองแบบจะส่งผลต่อลายวงจรในรูปของไฟกระชากและกระแสไฟฟ้าพุ่งสูง และทั้งสองแบบจะกระทบกับจุดเชื่อมต่อที่อ่อนแอที่สุดก่อน

จุดเชื่อมต่อของสารกึ่งตัวนำมักเสียหายก่อน เนื่องจากมีกระแสไฟฟ้าอัดแน่นอยู่ในปริมาตรเล็กๆ แรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่ผ่านบริเวณการแตกตัวย้อนกลับจะถ่ายเทพลังงานไปยังพื้นที่ซิลิคอนเล็กๆ ทำให้เกิดความร้อนเฉพาะที่ และจุดเชื่อมต่อก็จะลัดวงจร นี่คือเหตุผลว่าทำไมอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากที่ขั้วต่อจึงมีความสำคัญมากกว่าไอซีที่ทนทาน ตัวหนีบจะต้องเบี่ยงเบนพลังงานก่อนที่จะถึงตัวชิป

กำหนดสภาพแวดล้อมและระดับการทดสอบไฟกระชากของคุณก่อน การตัดสินใจทุกอย่างในภายหลัง ตั้งแต่ขั้นตอนการป้องกันไฟกระชากไปจนถึงการจัดวาง ล้วนขึ้นอยู่กับตัวเลขนั้น

สถาปัตยกรรมระงับไฟกระชากแบบเป็นขั้นตอน

อุปกรณ์เพียงชิ้นเดียวไม่สามารถรับกระแสไฟกระชากจากฟ้าผ่าได้ทั้งหมดและยังคงหนีบขั้ว IC ได้อย่างแน่นหนา คุณจำเป็นต้องมีระบบป้องกันแบบหลายขั้นตอน แต่ละขั้นตอนจะจัดการกับพลังงานในระดับที่มันถนัด และแต่ละขั้นตอนจะช่วยแบ่งเบาภาระ

การประสานงานระหว่าง MOV, GDT และไดโอด TVS

วงจรป้องกันไฟกระชากแบบสามขั้นตอนประกอบด้วยหลอดปล่อยประจุแก๊ส (GDT) ที่ทางเข้ากระแสไฟฟ้าหลัก ตัวต้านทานโลหะออกไซด์ (MOV) ตรงกลาง และไดโอดป้องกันแรงดันไฟกระชากชั่วขณะ (TVS) ใกล้กับวงจรที่ได้รับการป้องกัน ขั้นตอนการป้องกันไฟกระชากที่ทางเข้ากระแสไฟฟ้าหลักจะเบี่ยงเบนกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่ ขั้นตอนตรงกลางจะดูดซับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน และขั้นตอนสุดท้ายจะจำกัดแรงดันไฟตกค้างที่ขาไอซี

พารามิเตอร์	GDT	MOV	ทีวีเอส ไดโอด
ความเร็วในการตอบสนอง	100 นาโนวินาที – 1 ไมโครวินาที	1 – 25 น	ต่ำกว่านาโนวินาที
การจัดการกระแสไฟกระชาก	5 – 100 กิโลแอมป์	500 A – 40 kA	10 - 500 ก
การดูดซับพลังงาน	สูง (กิโลจูลผ่านทางอาร์ค)	10 จูล – 2 กิโลจูล	0.1 – 50 จูล
พฤติกรรมการหนีบ	ชะแลง	อัตราส่วนการหนีบปานกลาง	อัตราส่วนการหนีบที่แน่น

การประสานงานขึ้นอยู่กับการแยกอิมพีแดนซ์ระหว่างแต่ละขั้น เพิ่มตัวเหนี่ยวนำหรือความต้านทานเพื่อให้พลังงานส่วนเกินกระจายไปทั่วทั้งวงจร หากไม่มีสิ่งนี้ อุปกรณ์ที่เร็วที่สุดจะทำงานก่อนและดูดซับเหตุการณ์ทั้งหมด ตัวหน่วงเวลาแรงดันเกิน (TVS) จะจำกัดแรงดันเกินในระดับพิโควินาที แรงดันที่เพิ่มขึ้นทั่วอิมพีแดนซ์แบบอนุกรมจะกระตุ้น MOV ในระดับนาโนวินาที กระแสที่สูงมากจะจุดประกายอาร์ค GDT ภายในไม่กี่ร้อยนาโนวินาทีและปล่อยกระแสหลายสิบกิโลแอมแปร์ลงสู่พื้นดิน

พฤติกรรมการหนีบเทียบกับพฤติกรรมการใช้คันงัด

ตัวต้านทานโลหะออกไซด์และตัวป้องกันแรงดันเกินชั่วคราว อุปกรณ์เหล่านี้จะรักษาระดับแรงดันให้อยู่ในระดับที่กำหนดและกระจายพลังงานเอง นอกจากนี้ยังมี GDT และ SIDACtor ซึ่งเป็นอุปกรณ์ตัดวงจร อุปกรณ์เหล่านี้จะตัดวงจรแล้วล็อคเข้าสู่สถานะการนำไฟฟ้าแรงดันต่ำ

แรงดันยึดต่ำของอุปกรณ์กันขโมยช่วยให้สามารถรับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรได้สูงขึ้นโดยมีการสูญเสียพลังงานน้อย ดังนั้นจึงสามารถทนต่อกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าได้นานกว่าอุปกรณ์หนีบ

ความแข็งแรงนั้นมาพร้อมกับเงื่อนไข คันงัดจะยังคงล็อคอยู่จนกว่าวงจรจะตัดกระแสไฟที่ไหลตามมา คุณต้องเพิ่มฟิวส์, PTC หรืออิมพีแดนซ์แหล่งกำเนิดที่จำกัดกระแสไฟให้อยู่ต่ำกว่าระดับการยึด ตรวจสอบการตัดกระแสไฟในสภาวะอุณหภูมิที่สูงและต่ำ อุปกรณ์หนีบไม่จำเป็นต้องตัดกระแสไฟ แต่จะรับภาระความเครียดทุกครั้งที่เกิดเหตุการณ์ MOV จะเสื่อมสภาพหลังจากถูกกระแทกซ้ำๆ ไดโอด TVS มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า แต่รับพลังงานได้น้อยกว่ามาก

ฟิวส์สำรองช่วยป้องกันการลัดวงจรของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก ควรเลือกขนาดฟิวส์ให้สูงกว่ากระแสไฟฟ้าใช้งานปกติ แต่ต่ำกว่าความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรของอุปกรณ์ ตรวจสอบลักษณะการทำงานผิดพลาดของแต่ละส่วน หาก MOV หรือ TVS ลัดวงจร มักหมายความว่าไฟกระชากเกินพิกัด กระแสไฟรั่วที่สูงขึ้นบ่งชี้ถึงความเสื่อมสภาพจากไฟกระชากซ้ำๆ การทำงานผิดพลาดซ้ำๆ หมายความว่าคุณเลือกอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กเกินไป ข้อผิดพลาดในการสื่อสารบนสายส่งข้อมูลมักเกิดจากส่วนที่มีความจุสูง การวางตำแหน่งที่ไม่ดี ห่างจากขั้วต่อมากเกินไป ยังทำให้ระบบป้องกันและกรองไฟกระชาก อ่อนแอลงด้วย

การเลือกอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก

การกำหนดขนาดและแรงดันจำกัด

เริ่มต้นด้วยแรงดันสแตนด์ออฟ แรงดันสแตนด์ออฟแบบย้อนกลับต้องสูงกว่าแรงดันไฟปกติสูงสุด ซึ่งรวมถึงค่าความคลาดเคลื่อนของแหล่งจ่ายไฟ ค่าริปเปิล ค่าโอเวอร์ชูต และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ รางไฟ 5V อาจสูงถึง 5.25V หรือ 5.5V ในระหว่างการทำงานปกติ ดังนั้นแรงดันสแตนด์ออฟ 5V อาจรั่วหรือเปิดเองได้ในระหว่างการใช้งานปกติ อย่าสับสนระหว่างแรงดันเบรกดาวน์กับแรงดันสแตนด์ออฟ การรั่วไหลต่ำนั้นรับประกันที่ระดับแรงดันสแตนด์ออฟ ไม่ใช่ที่จุดเบรกดาวน์

พารามิเตอร์	ความหมาย	กฎการเลือก
แรงดันไฟย้อนกลับ	แรงดันไฟฟ้าต่อเนื่องสูงสุดพร้อมการรั่วไหลต่ำตามที่กำหนด	ต้องมากกว่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ใช้งานได้
แรงดันหนีบ	แรงดันไฟฟ้าคร่อมอุปกรณ์ในช่วงพัลส์ที่กำหนด	ต้องอยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดแรงดันไฟชั่วขณะที่ปลอดภัยของวงจรที่ได้รับการป้องกัน
กระแสพัลส์สูงสุด	กระแสพัลส์สูงสุดสำหรับรูปคลื่นที่กำหนด	กระแสไฟฟ้าชั่วขณะต้องเกินกว่าที่คาดไว้
กำลังพัลส์สูงสุด	กำลังพัลส์ระยะสั้นสูงสุด	ต้องมีค่ามากกว่ากำลังพัลส์ที่คำนวณไว้ซึ่งลดลงแล้ว

ถัดไป ให้ประเมินกระแสไฟกระชากและตรวจสอบแคลมป์ สำหรับอินพุตอุตสาหกรรม 24V แคลมป์ 33V จะใช้งานได้ หากใช้แหล่งจ่ายไฟ 1000V แคลมป์ 54V และความต้านทานแหล่งจ่าย 42Ω กระแสพัลส์ 8/20 µs จะอยู่ที่ประมาณ 22.5A หากวงจรที่ป้องกันสามารถรับแรงดันได้ถึง 60V แคลมป์ 54V จะเหลือระยะเผื่อเพียง 6V ก่อนที่แรงดันจะเกินขีดจำกัดของแผงวงจรพิมพ์ อย่าละเลยแรงดันแคลมป์ ไดโอดอาจทนต่อพัลส์ได้ แต่ยังอาจปล่อยแรงดันชั่วขณะผ่านไปมากพอที่จะทำให้ไอซีที่ป้องกันเสียหายได้

อย่าเลือกแรงดันไฟเลี้ยงจากแรงดันไฟเลี้ยงปกติเพียงอย่างเดียว ตรวจสอบให้แน่ใจว่ารูปคลื่นในเอกสารข้อมูลตรงกับภัยคุกคามที่คาดการณ์ไว้ และใช้การลดกำลังไฟฟ้าตามอุณหภูมิกับกำลังไฟฟ้าสูงสุดของพัลส์

ตำแหน่งและระยะนำ

ควรติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากไว้ที่จุดเชื่อมต่อ ก่อนที่สายไฟจะไปสิ้นสุดที่อื่น สายเชื่อมต่อที่ยาวเกินไปจะเพิ่มความต้านทานและแรงดันตกคร่อมเนื่องจากความเหนี่ยวนำ เมื่อกระแสไฟฟ้าชั่วขณะความถี่สูงไหลผ่าน ความต้านทานนั้นจะเพิ่มแรงดันไฟที่เหลืออยู่ซึ่งส่งไปยังอุปกรณ์ปลายทาง ระดับการป้องกันจะลดลง และโหลดที่ไวต่อแรงดันไฟฟ้าจะได้รับแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าระดับความทนทานต่อแรงดันไฟกระชาก

ควรใช้สายไฟที่สั้น ตรง และเชื่อมต่อโดยตรง ความยาวสายไฟสูงสุดที่แนะนำระหว่างอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากกับโครงข่ายไฟฟ้าหลักหรือสายดินคือ 0.5 เมตร ซึ่งมักเรียกว่ากฎ 50 เซนติเมตร สายไฟระหว่างอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากกับอุปกรณ์ไม่ควรเกิน 10 เมตร หากเกินกว่านั้น ควรเพิ่มอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากตัวที่สองที่อยู่ใกล้กับอุปกรณ์มากขึ้น

ควรลดความยาวของสายไฟสำหรับเชื่อมต่ออุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากเข้ากับขั้วต่ออุปกรณ์และลงดินให้เหลือน้อยที่สุด และติดตั้งให้ตรงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยลดการโค้งงอให้น้อยที่สุด

ข้อจำกัดของ DFM (Design for Manufacturing) มีผลต่อการเลือกใช้อุปกรณ์นี้ แพ็คเกจตัวป้องกันแรงดันไฟกระชากแบบละเอียดจำกัดขนาดของแผ่นรองและระยะห่างของตัวยึด วางชิ้นส่วนไว้ที่ด้านทางเข้าของไฟกระชากของรอยแยกใดๆ และรักษาเส้นทางส่งกลับให้อยู่ในชั้นเดียวกัน อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากที่ได้รับการรับรองและมีพิกัดที่เหมาะสมก็ยังคงใช้งานไม่ได้หากโรงงานประกอบไม่สามารถรักษารูปทรงเรขาคณิตของแผ่นรองได้

การออกแบบระบบสายดินเพื่อป้องกันไฟกระชาก

สายดินป้องกันเทียบกับสายดินสัญญาณ

สายดินป้องกันและสายดินสัญญาณมีหน้าที่แตกต่างกัน สายดินป้องกันจะนำกระแสไฟฟ้าลัดวงจรและรักษาระดับศักย์ไฟฟ้าของตัวเครื่องให้เท่ากับศักย์ไฟฟ้าของดิน ด้วยวิธีนี้ ผู้ที่สัมผัสตัวเครื่องจึงปลอดภัย ส่วนสายดินสัญญาณเป็นจุดอ้างอิงสำหรับวงจรของคุณ สามารถมีแรงดันไฟฟ้าใดๆ ก็ได้เมื่อเทียบกับตัวเครื่อง ให้ถือว่าสายดินทั้งสองเป็นวงจรแยกกันจนกว่าคุณจะกำหนดจุดที่สายดินทั้งสองมาบรรจบกันได้

แง่มุม	คำแนะนำ
สายกราวด์สัญญาณเทียบกับสายกราวด์ตัวถัง	สายกราวด์ของวงจรไม่จำเป็นต้องต่อกับกราวด์ของตัวเครื่อง สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจาก USB สาย GND จะต่อกับกราวด์ของวงจร และสายชีลด์จะต่อกับกราวด์ของตัวเครื่อง
การยึดติดแบบจุดเดียว	ต่อสายดินของวงจรเข้ากับตัวถังรถเพียงจุดเดียวเท่านั้น
การเชื่อมต่อความถี่สูง	เพิ่มตัวเก็บประจุขนาดเล็กที่มีค่าเพียงไม่กี่ร้อย pF จากกราวด์ของวงจรไปยังชีลด์เพื่อลดสัญญาณรบกวนความถี่สูง
การจัดการโล่	ควรแยกจุดต่อสายชีลด์และจุดต่อสายสัญญาณกลับออกจากกัน ชีลด์จะกั้นสนามแม่เหล็กและไม่ควรนำกระแสไฟฟ้าเว้นแต่จะออกแบบให้เป็นเช่นนั้น
เสียงรบกวนและลูป	การแยกวงจรอ้างอิงออกจากชีลด์จะแยกเส้นทางสัญญาณรบกวนออกจากเส้นทางสัญญาณส่งกลับ ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงวงจรลูปกราวด์ การสั่น และเสียงฮัมจากแหล่งจ่ายไฟ

ต่อสายกราวด์ของตัวเครื่องเข้ากับกราวด์สัญญาณที่จุดหนึ่ง จากนั้นเพิ่มตัวเก็บประจุขนาดเล็กสำหรับสัญญาณสะท้อนกลับความถี่สูง วิธีนี้จะช่วยให้การต่อสายเพื่อความปลอดภัยมีความแข็งแรง และลดระยะทางของสัญญาณรบกวนที่ความถี่สูง

การต่อสายดินแบบจุดเดียว หลายจุด และแบบผสม

การต่อสายดินแบบจุดเดียวจะเชื่อมต่อสายดินทุกเส้นเข้ากับจุดร่วมจุดเดียว วิธีนี้ช่วยลดการเกิดลูปกราวด์และรักษาศักย์ไฟฟ้าของทุกส่วนให้เท่ากันในระหว่างพายุฟ้าผ่า แต่จะหยุดทำงานที่ความถี่สูงกว่าประมาณ 10 เมกะเฮิร์ตซ์ เนื่องจากตัวนำยาวจะทำหน้าที่เหมือนเสาอากาศ การต่อสายดินแบบหลายจุดจะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลลงดินได้หลายเส้นทางและปรับสมดุลศักย์ไฟฟ้า แต่ก็อาจทำให้เกิดลูปกราวด์และกระแสไฟฟ้าไหลผิดปกติผ่านโครงสร้างเหล็กของอาคารได้ การต่อสายดินแบบไฮบริดเป็นการผสมผสานทั้งสองแบบ คือใช้ระบบหลักแบบจุดเดียวกับระบบย่อยแบบหลายจุด

สำหรับวงจรที่ทำงานในช่วงความถี่ 1 MHz ถึง 30 MHz จะใช้วิธีการแบบผสมผสาน หากความยาวของสายดินน้อยกว่า 1/20 ของความยาวคลื่นของสัญญาณที่ใช้งาน ให้ใช้การต่อสายดินแบบจุดเดียว มิฉะนั้น ให้ใช้การต่อสายดินแบบหลายจุด

วางแผนการแยกและการต่อสายดินโดยคำนึงถึงกระแสไหลกลับ การแยกใต้สัญญาณจะบังคับให้กระแสไหลกลับต้องอ้อม และวงจรนั้นจะแผ่รังสี ต่อสายดินข้ามจุดแยกด้วยตัวเก็บประจุหรือสะพานแคบๆ ในจุดที่สัญญาณต้องผ่าน ออกแบบการต่อสายดินสำหรับอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากและอุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกันไปพร้อมกัน อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากต้องการเส้นทางสั้นๆ ที่มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำไปยังพื้นดิน อุปกรณ์ต้องการจุดอ้างอิงของตัวเอง เดินสายดินจากอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากไปยังจุดต่อสายดินร่วม และแยกสายดินนั้นออกจากสายไหลกลับของสัญญาณ ต่อสายดินของเฟส นิวทรัล และอุปกรณ์ที่ทางเข้าบริการตามที่กฎหมายท้องถิ่นกำหนด จากนั้นต่อสายดินของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากที่จุดเดียวกันนั้น สายดินร่วมที่ยาวจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะในทุกขั้นตอนและทำให้การประสานงานที่คุณสร้างไว้ไร้ประโยชน์ การป้องกันฟ้าผ่าที่มีประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับจุดอ้างอิงพื้นดินร่วมนี้ ไม่ใช่แค่ตัวป้องกันไฟกระชากเพียงอย่างเดียว เดินสายไหลกลับของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากก่อน จากนั้นวางสายดินของสัญญาณไว้รอบๆ

เทคนิคการออกแบบและการแยกวงจร PCB

การคืบคลาน ระยะห่าง และการเจาะช่อง

ระยะคืบคลาน (Creepage) คือเส้นทางตามพื้นผิวระหว่างตัวนำสองตัว ส่วนระยะเคลียร์ (Clearance) คือช่องว่างเป็นเส้นตรงผ่านอากาศ แรงดันไฟฟ้าชั่วขณะจะกระโดดข้ามไปได้หากระยะทางสั้นเกินไป การเจาะร่องระหว่างแผ่นตัวนำแรงดันสูงจะทำให้เส้นทางตามพื้นผิวยาวขึ้น ร่องกว้าง 1 มิลลิเมตรระหว่างแผ่นตัวนำสามารถเพิ่มความยาวของเส้นทางตามพื้นผิวได้เกือบสองเท่า ซึ่งจะช่วยลดโอกาสการเกิดรอยไหม้หรือประกายไฟได้อย่างมาก ร่องกว้าง 2 มิลลิเมตรจะเพิ่มความยาวของเส้นทางคืบคลานได้หลายมิลลิเมตรโดยไม่ต้องทำให้แผ่นวงจรใหญ่ขึ้น

ใช้ร่องและสิ่งกีดขวางทางกายภาพเมื่อขนาดของแผงวงจรทำให้การรักษาระยะห่างระหว่างตัวนำกับฉนวนทำได้ยาก ตัวแปลงไฟขนาดกะทัดรัด 800V สามารถรักษาระยะห่างได้ด้วยร่องขนาด 1 มม. ร่วมกับวัสดุฉนวนที่ดี ตัวควบคุมมอเตอร์อุตสาหกรรมที่ 1200V (ระดับมลพิษ 2, IPC-2221, วัสดุกลุ่ม II) ใช้ร่องร่วมกับสารเคลือบป้องกันเพื่อผ่านแผงวงจรขนาดเล็ก หลีกเลี่ยงการเลี้ยวและขอบของลายวงจรที่แหลมคม เพราะจะทำให้สนามไฟฟ้าหนาแน่นขึ้น ควรหลีกเลี่ยงการวางลายวงจรแรงดันสูงมากไว้ในชั้นภายใน ลายโลหะใดๆ ที่มีขอบคมสามารถเพิ่มสนามไฟฟ้าข้ามฉนวนและทำให้เกิดประกายไฟได้

โช้คโหมดร่วม ตัวเก็บประจุรูปตัว Y และแผงกั้นแยก

ตัวเหนี่ยวนำแบบโหมดร่วม (Common Mode Choke) ทำหน้าที่บล็อกสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นในสายไฟสองเส้นขึ้นไป ขดลวดที่อยู่ตรงข้ามกันจะหักล้างกันสำหรับกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกัน และแสดงความต้านทานสูงต่อสัญญาณรบกวนแบบโหมดร่วม ควรวางไว้ใกล้กับจุดต่อไฟหลัก และประสานงานกับตัวเก็บประจุ X และ Y และวงจรป้องกันไฟกระชาก ตัวเก็บประจุ Y จะต่อขนานสัญญาณรบกวนแบบโหมดร่วมลงดิน ตัวเก็บประจุ X จะกรองสัญญาณรบกวนแบบโหมดต่างระหว่างสายไฟและสายกลาง เมื่อรวมกับไดโอดป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ (Transient Voltage Suppression Diode) และอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากอื่นๆ ชิ้นส่วนเหล่านี้จะประกอบกันเป็นวงจรป้องกันไฟกระชากและตัวกรองความถี่สูงที่ช่วยป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่เหลืออยู่ไม่ให้เข้าสู่ไอซี

ตัวเหนี่ยวนำเฟอร์ไรต์จะอิ่มตัว กระแสไฟกระชากแบบคอมมอนโหมดที่มีพลังงานสูงสามารถทำให้แกนอิ่มตัวและทะลุผ่านได้โดยตรง ออกแบบระบบป้องกันไฟกระชากแยกต่างหากจากตัวเหนี่ยวนำ และห้ามใช้ตัวเหนี่ยวนำเป็นตัวลดแรงดันไฟกระชาก เลือกขนาดตัวเก็บประจุ Y ตามระดับความทนทานตามมาตรฐาน IEC 60384-14 และตรวจสอบให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนนั้นสามารถทนต่อแรงดันสูงสุดที่ต้องการได้

DFM (Design for Manufacturing) กำหนดรูปแบบทั้งหมดนี้ ทองแดงจะอยู่ห่างจากขอบประมาณ 0.3–0.4 มม. ตามกฎการผลิต แต่การคืบคลานของกระแสไฟฟ้าจะวิ่งไปตามขอบไปยังตัวถัง ช่องแยกไม่สามารถชุบได้ และการเดินสายต้องใช้ระยะห่างประมาณ 1.0–1.5 มม. ดังนั้นเส้นทางไฟฟ้าต้องไม่ชนกับปลายช่อง ฟลักซ์และเม็ดตะกั่วในบริเวณแยกทำหน้าที่เป็นสิ่งปนเปื้อนที่ติดตั้งไว้ ให้ถือว่าบริเวณนั้นเป็นพื้นที่ห้ามสำหรับชิ้นส่วน รูเชื่อมต่อ เส้นไหม และจุดทดสอบ อย่าลดระยะการคืบคลานของกระแสไฟฟ้าใน CAD โดยสมมติว่ามีการเคลือบผิว เว้นแต่คุณจะระบุและตรวจสอบแล้ว

พื้นที่จำกัด	การแลกเปลี่ยนในการผลิต
การเลื่อนตัวของขอบกระดาน	การดึงกลับของทองแดงทำให้เกิดเส้นทางรอบขอบไปยังตัวถัง
ช่องแยก	ไม่สามารถชุบได้ เนื่องจากความกว้างของร่องบังคับให้เส้นทางอ้อมปลายร่อง
ผ่านทางกั้น	แผ่นปิดหน้ากากแคบๆ เย็บติดกันแบบแผ่นต่อแผ่นบนพื้นผิว
เศษเหลือจากการประกอบ	ฟลักซ์และเม็ดตะกั่วบัดกรีเป็นสิ่งปนเปื้อนในบริเวณฉนวน
การเคลือบแบบ Conformal	ลดระดับมลพิษได้เฉพาะเมื่อมีการระบุและตรวจสอบแล้วเท่านั้น

กระแสไฟฟ้าแรงสูงพุ่งเข้ามาที่ขั้วต่อในช่วงเวลาสั้นๆ มันจะหาจุดที่อ่อนแอที่สุดในชิปและทำลายมัน ระบบป้องกันแบบหลายขั้นตอนจะชะลอพลังงานนั้นลง จากนั้นการต่อสายดินและการจัดวางอุปกรณ์จะเป็นตัวตัดสินว่าตัวหนีบจะรับมือได้หรือไม่ การป้องกันไฟกระชากเป็นระบบโดยรวม ไม่ใช่แค่ชิ้นส่วนเดียว

นี่คือประเด็นสำคัญอีกครั้ง ขั้นแรก กำหนดสภาพแวดล้อมการเกิดไฟกระชากและระดับการทดสอบ ทำให้วงจร MOV, GDT และ TVS ทำงานร่วมกันได้โดยการเพิ่มอิมพีแดนซ์ระหว่างกัน รักษาให้สายไฟของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากสั้นและตรง วางแผนเส้นทางลงดินก่อนทำการจัดวาง ปฏิบัติตามกฎเกณฑ์เกี่ยวกับระยะคืบคลาน ระยะห่าง และข้อจำกัด DFM วางอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากแต่ละตัวให้กระแสไหลลงดินตัวถังรถ

ก่อนเริ่มงานก่อสร้างครั้งต่อไป ควรตรวจสอบ ระบบป้องกันไฟกระชาก ระบบสายดิน และแผนผังการจัดวางอุปกรณ์ต่างๆในปัจจุบันของคุณให้ตรงกับแนวคิดเหล่านี้

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดตัวรับส่งสัญญาณจึงเสีย ในขณะที่อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากดูเหมือนจะทำงานได้ปกติ?

ตัวป้องกันอาจหนีบช้าเกินไปหรืออยู่ห่างจากขั้วต่อมากเกินไป สายไฟยาวจะทำให้เกิดการลดลงของแรงดันไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำ ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่เหลืออยู่ที่ไอซีจึงสูงเกินขีดจำกัด ตรวจสอบความยาวของสายไฟและเส้นทางการต่อลงดินก่อนที่จะตำหนิชิ้นส่วนนั้น

ไดโอด TVS ตัวเดียวสามารถป้องกันแผงวงจรได้ด้วยตัวเองหรือไม่?

ไม่ครับ อุปกรณ์ TVS ตัดกระแสไฟได้เร็ว แต่รับพลังงานได้น้อย กระแสไฟกระชากจากฟ้าผ่าเกินพิกัดของมัน คุณต้องมีอุปกรณ์ GDT หรือ MOV อยู่ข้างหน้า โดยมีอิมพีแดนซ์ระหว่างแต่ละขั้นเพื่อให้พลังงานกระจายไปทั่วทั้งวงจร

สายต่อของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากต้องสั้นแค่ไหน?

ควรต่อสายจากแหล่งจ่ายไฟหลักหรือสายดินให้ห่างกันไม่เกิน 0.5 เมตร เป็นสายตรงและมีส่วนโค้งน้อยที่สุด และควรต่อสายระหว่างอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากกับอุปกรณ์ให้ห่างกันไม่เกิน 10 เมตร หากยาวเกินกว่านั้น ควรติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากตัวที่สองให้ใกล้กับโหลดมากขึ้น

ควรต่อสายกราวด์ตัวถังกับสายกราวด์สัญญาณตรงไหนดี?

เชื่อมต่อสายทั้งสองเข้าด้วยกันที่จุดเดียว จากนั้นเพิ่มตัวเก็บประจุขนาดเล็กที่มีค่าเพียงไม่กี่ร้อย pF สำหรับการส่งสัญญาณกลับความถี่สูง วิธีนี้จะช่วยให้การเชื่อมต่อเพื่อความปลอดภัยมีความแข็งแรง และทำให้สัญญาณรบกวนมีเส้นทางสั้นๆ โดยไม่ก่อให้เกิดวงจรลูปกราวด์