Улучшение защиты от перенапряжения схем печатных плат требует всестороннего рассмотрения выбора компонентов, конструкции схемы, оптимизации компоновки и эффективных устройств защиты.

Разумная конструкция защиты от перенапряжения может эффективно защитить схему от внезапного скачка напряжения или тока в практических приложениях и обеспечить стабильность и надежность схемы.

1、Выбор и расположение устройств защиты от перенапряжения

TVS-диод (подавление переходного напряжения) — широко используемое устройство защиты от перенапряжения. Он может быстро проводить ток при возникновении перенапряжения и удерживать перенапряжение в безопасном диапазоне.

Чтобы улучшить эффект защиты, обычно при проектировании печатной платы TVS-диод следует подключать к входному разъему чувствительного компонента (например, к порту ввода питания) и как можно ближе к источнику.

Обычные TVS-диоды включают диоды подавления переходных процессов (SMD) и варисторы (MOV).

MOV — это материал, напряжение которого меняется в зависимости от напряжения. Когда напряжение превышает установленный порог, сопротивление MOV быстро уменьшается, что может рассеивать энергию всплеска на землю. MOV подходит для защиты от скачков напряжения.

Чтобы обеспечить эффект защиты, необходимо выбрать соответствующий MOV в соответствии с входным напряжением источника питания и разместить его в цепи на входе питания.

GDT — это защитный компонент, который выдерживает скачки высокой энергии и подходит для цепей, которым необходимо выдерживать сильные скачки напряжения.

При работе ГДТ после того, как напряжение превышает определенное значение, его проводимость резко увеличивается, что позволяет эффективно направлять энергию перенапряжения в заземляющий провод.

Индукторы подавления (синфазные индукторы) и фильтры. Высокочастотные импульсные сигналы могут подавляться с помощью синфазных индукторов и фильтров.

Эти компоненты предотвращают попадание высокочастотного шума и скачков напряжения в чувствительные части схемы, особенно на входы питания и линии передачи цифровых сигналов.

2、Оптимизация схемы

Конструкция должна минимизировать пути прохождения тока через чувствительные зоны, особенно между входным портом и нагрузкой.

Длинные незащищенные провода могут стать каналами распространения перенапряжения, увеличивая площадь, на которую оно воздействует.

Конструкция с коротким путем и разумное расположение трасс помогают уменьшить путь тока и задержку передачи, тем самым уменьшая влияние скачков напряжения.

Хорошая конструкция заземления является ключом к защите от перенапряжения. Конструкция заземляющего провода должна обеспечивать быструю проводимость тока и уменьшать сопротивление заземления, чтобы предотвратить прохождение импульсного тока через чувствительные цепи в обратном направлении.

Длина и полное сопротивление заземляющего провода должны быть сведены к минимуму, чтобы гарантировать, что высокочастотные сигналы могут быстро возвращаться к заземляющему проводу, чтобы избежать помех или контуров заземления.

На входе питания добавление таких компонентов, как конденсаторы фильтра, синфазные и дифференциальные индукторы, может эффективно снизить влияние скачков напряжения на источник питания.

Кроме того, вы можете увеличить входную емкость во время проектирования или выбрать конденсаторы с низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением), чтобы улучшить возможности подавления перенапряжений.

3、электрическая изоляция

Добавление оптопары (оптопары) между чувствительными цепями и внешней средой (например, источником питания, портами связи) может эффективно обеспечить электрическую изоляцию.

Оптопары могут изолировать скачки или переходные напряжения на входных и выходных концах, уменьшая при этом помехи сигнала.

При проектировании источников питания, особенно оборудования, которое необходимо подключать к высоковольтному источнику питания, использование изолирующих трансформаторов может эффективно изолировать вход и выход и предотвратить попадание импульсного тока в низковольтную сторону цепи.

4、Физическая компоновка и дизайн платы

При проектировании печатной платы необходимо учитывать направление потока и путь импульсного тока.

При проектировании обратный путь импульсного тока должен быть кратчайшим, а полное сопротивление должно быть минимальным, чтобы избежать индуктивных нагрузок, образуемых длинными проводами.

Компоненты защиты от перенапряжения следует размещать как можно ближе к входной клемме, чтобы обеспечить быструю реакцию при возникновении перенапряжения.

В многослойных платах внутренние силовые слои и слои земли могут использоваться для уменьшения электромагнитных помех и уменьшения излучения и приема сигнала.

В то же время эти внутренние слои питания и заземления обеспечивают путь для импульсного тока с низким импедансом, что помогает ускорить проводимость импульсного тока.

При проектировании необходимо обратить внимание на электромагнитную совместимость (ЭМС), включая соответствующую развязку источника питания, фильтрацию помех, конструкцию заземления и т. д.

За счет снижения шума и электромагнитного излучения можно в определенной степени улучшить помехоустойчивость печатной платы при скачках напряжения.

5、Выбор компонентов и схема защиты

Выбирайте компоненты с высокой устойчивостью к перенапряжению. Использование компонентов с высокой устойчивостью к перенапряжению, таких как резисторы, конденсаторы, транзисторы и т. д. с характеристиками устойчивости к высокому напряжению, может снизить риск повреждения компонентов при возникновении перенапряжения.

Особенно при использовании высокочастотных устройств крайне важно выбирать компоненты с характеристиками защиты от перенапряжения.

При проектировании схемы защиты от перенапряжения можно использовать комбинацию параллельных компонентов подавления напряжения (таких как диоды, TVS и т. д.) и последовательных компонентов ограничения тока (таких как резисторы, предохранители и т. д.).

Таким образом, при возникновении перенапряжения TVS-диод быстро проводит и фиксирует напряжение в безопасном диапазоне, а предохранитель может отключить источник питания при чрезмерном скачке тока, чтобы предотвратить повреждение компонентов.

6、Тестирование и проверка

Испытание на перенапряжение. Проведите испытание на перенапряжение печатной платы, чтобы проверить ее устойчивость к перенапряжению и убедиться, что спроектированные схемы и компоненты защиты могут нормально работать в реальных условиях перенапряжения.

Стандарты испытаний см. в IEC 61000-4-5 (испытание на устойчивость к перенапряжению) и проводите целевые испытания в соответствии с требованиями различного оборудования.

В процессе проектирования для проверки конструкции защиты от перенапряжения используются инструменты моделирования (такие как моделирование SPICE, моделирование ЭМС и т. д.).

С помощью моделирования моделирования можно заранее выявить потенциальные проблемы, связанные с перенапряжением, а также оптимизировать и скорректировать конструкцию.