PCB設計要考慮保護電路

2020-03-24

PCB設計是一個(gè)復雜的過(guò)程，取決于許多因素。工程師通常要負責尋找具有成本效益的解決方案，同時(shí)保持其最終產(chǎn)品的高可靠性。故保護電路是PCB設計著(zhù)重要考慮的環(huán)節。雖然在電路板上添加一系列保護措施會(huì )增加單位成本，但它也可以大大降低野外的故障率，而這種情況下，故障率將由其自己提供支持和更換成本。在許多情況下，與支持和更換成本相比，每單位成本的額外成本微不足道，因此將電路保護變成了必不可少的省錢(qián)機制。

在本文中，我們將研究可以添加到電路中的保護設備，這些保護設備不僅有助于使其更寬容用戶(hù)的錯誤，不良的電源質(zhì)量和意外事件，而且還可以確保其通過(guò)的可能性更大。符合性測試。我們將從電磁干擾開(kāi)始，一次解決一個(gè)普遍遇到的安全問(wèn)題。

電磁干擾（EMI）

減少輻射電磁能對于滿(mǎn)足電磁兼容性合規性至關(guān)重要。此外，由于電磁干擾是雙向的，因此在設計設備時(shí)必須考慮到傳入干擾的能力。對于大多數設備，輸入和輸出的保護電路將是相同的，因此使您通過(guò)一致性測試的原因還可能使您免于拾取會(huì )損害產(chǎn)品信號完整性的能量。

除了符合電磁兼容性的通常要求之外，您可能正在設計一種設備，使其發(fā)現自己在工業(yè)環(huán)境中充滿(mǎn)了流向電動(dòng)機或其他耗電設備或大功率無(wú)線(xiàn)電設備的大電流。連接到設備的電纜可能會(huì )從感應場(chǎng)中吸收大量電壓，這將使傳感器讀數不可靠或通信困難。更糟糕的是，您的設備可能已插入電源軌，該電源軌也為這些電噪聲設備供電，從而允許電磁干擾通過(guò)電源連接直接進(jìn)入電路。

鐵氧體芯片

鐵氧體磁珠或芯片（表面貼裝）是可以添加到電路板上的很便宜，最簡(jiǎn)單的保護方法之一。不起眼的鐵氧體可在放置點(diǎn)處抑制高頻噪聲，從而保護任一側免受另一側產(chǎn)生的噪聲的影響。除非具有有效的屏蔽功能，否則插入設備的任何導電電纜都是天線(xiàn)。該電纜可以吸收環(huán)境噪聲，也可以輻射電路噪聲。

鐵氧體芯片充當電路中的低通濾波器，對高頻信號產(chǎn)生高阻抗。選擇鐵氧體芯片或磁珠時(shí)，關(guān)鍵指標是其在給定頻率下的阻抗，該阻抗通常在1MHz或100MHz下測量。該規格將以歐姆為單位，因為鐵氧體芯片似乎會(huì )發(fā)出信號以指示指定頻率的分量，例如該值的電阻器。

電路的另一個(gè)關(guān)鍵指標是直流電阻（DCR（MAX）），它是鐵氧體對直流信號的串聯(lián)電阻。此串聯(lián)電阻很重要，因為它將對電路產(chǎn)生影響，并且如果您試圖通過(guò)與鐵氧體串聯(lián)的導體流過(guò)大電流，您可能會(huì )發(fā)現鐵氧體變得很熱-因此額定電流規格，在這種情況下必須考慮的重要因素。

鐵氧體磁珠/芯片應在低頻和直流導體上自由使用，以減少輻射噪聲和接收噪聲對電纜的影響。您還可以考慮在電路板上的某個(gè)敏感組件的電源導軌上局部串聯(lián)一個(gè)電源，例如在使用非常低電壓信號的模擬電路中存在的電源，這些電源導軌中的噪聲可能會(huì )轉化為信號。

Pi過(guò)濾器

在鐵氧體芯片對交流信號具有高阻抗的情況下，電感器會(huì )提供高阻抗。電感器比鐵氧體磁珠更不常用來(lái)保護設備的輸入或輸出，但是，如果與兩個(gè)電容器配對使用，電感器可以成為降低傳導噪聲的有力工具。Pi濾波器之所以命名，是因為它看起來(lái)像希臘字母π，頂部帶有一個(gè)電感，而兩條腳則是電容器。這將創(chuàng )建一個(gè)有效的低通濾波器，兩個(gè)電容器充當去耦作用，電感器為信號提供高阻抗。

如果您的設備正在從可能有噪聲的電源接收電源，或者其中有大型開(kāi)關(guān)電源，則輸入上的Pi濾波器可能會(huì )大大減少EMI問(wèn)題。電感器通常具有比鐵氧體芯片更大的阻抗和電流處理能力，并且還具有更低的串聯(lián)電阻。如果導體上有幾安培的電流，或者看到很大的噪聲，則Pi濾波器可能會(huì )比鐵氧體芯片提供更好的保護。

大多數表面貼裝，繞線(xiàn)，鐵氧體磁芯電感器均提供屏蔽版本。當您使用電感器降低噪聲時(shí)，屏蔽電感器可提供額外的保護。

串聯(lián)終端電阻

如果您的信號線(xiàn)的頻率超過(guò)幾百千赫茲，則可能需要考慮在線(xiàn)路上添加一個(gè)50ohm的終端電阻，以提供阻抗匹配并減少反射。在數字傳輸線(xiàn)上，來(lái)自不正確端接信號的反射會(huì )產(chǎn)生邏輯電平歧義，從而導致數據損壞。在模擬線(xiàn)路上，反射會(huì )導致信號中的功率損耗和重影效應。

盡管這不是一種保護方法，而是一種好的設計實(shí)踐，但這里值得一提。

射頻屏蔽

如果要設計射頻產(chǎn)品，處理非常低電壓傳感器信號的電路，或者是在非常不利的電磁環(huán)境中使用的電路，則要大幅減少電磁干擾的最終解決方案是將電路封裝在射頻屏蔽罩中。RF屏蔽層已接地，可以防止任何電磁干擾使其進(jìn)入或穿出電路的裸露導體和組件。此外，將設計良好的牢固接地放置在PCB設計板上，組件將安裝在該接地上，以防止噪聲從底側逸出或進(jìn)入。但是，噪聲可以并且將通過(guò)導體進(jìn)入和離開(kāi)屏蔽電路。其他措施，例如鐵氧體芯片，可以減輕傳導噪聲。

可以購買(mǎi)各種尺寸的RF屏蔽，并且即使只有100個(gè)單位的小批量訂購，也具有很高的成本效益。

如果不確定您的PCB設計板是否需要RF屏蔽，那么將其設計到PCB上而不放置它比修改電路板并為其中一個(gè)添加焊盤(pán)圖案要容易得多。如果在測試過(guò)程中沒(méi)有必要，則可以選擇不使用RF屏蔽。

反極性

與科幻電影不同，當機長(cháng)或工程師大喊“顛倒極性”時(shí)（通常是在戰斗或其他嚴峻情況下），在現實(shí)世界中顛倒電源的極性更有可能釋放魔力煙霧而不是產(chǎn)生煙霧。力場(chǎng)。如果用戶(hù)使用了錯誤類(lèi)型的電源線(xiàn)，或者輸入連接器未極化，則很容易將設備的電源極性接反，這可能會(huì )使電路中的每個(gè)組件燒毀。

幸運的是，防止極性反轉事件很容易。

輸入二極管

添加反極性保護的最簡(jiǎn)單方法是簡(jiǎn)單地在正極導體上串聯(lián)一個(gè)二極管。二極管只會(huì )正向傳導，因此，如果輸入連接不正確，將不會(huì )有電流流過(guò)。

這種方法有一些主要的缺點(diǎn)，它們與二極管的正向壓降有關(guān)。如果為設備提供所需的確切電壓，則二極管可能會(huì )將電壓降到設備可靠工作的溫度以下。

如果您的設備消耗的功率適中，則二極管可能會(huì )因與電流大小和正向壓降成正比的功耗而過(guò)熱。如果您選擇的二極管具有足夠的能力來(lái)應對這種熱量，則它可能會(huì )為電路板提供足夠的熱量，從而導致其他組件無(wú)法可靠地工作，或者由于外殼內散熱的增加而縮短了設備的使用壽命。

如果您的設備由電池供電，則由于二極管損耗增加導致效率降低，因此輸入二極管會(huì )縮短電池或充電的使用壽命。這將導致需要更大，更重，更昂貴的電池來(lái)提供相同的運行時(shí)間。

因此，對于工作電流低于其輸入電壓的低電流設備，輸入二極管通常只是一個(gè)好的解決方案。一個(gè)很好的例子是一個(gè)基本的微控制器電路，其工作電壓為3.3v或更低，由USB電纜供電。

橋式整流器

如果對于您的應用來(lái)說(shuō)，二極管的正向壓降和相關(guān)的散熱/效率低不是問(wèn)題，那么您還可以通過(guò)在輸入端使用橋式整流器來(lái)完全忽略極性。一個(gè)簡(jiǎn)單的橋式整流器將確保您始終具有可靠的正和負（或接地）電壓軌，無(wú)論該設備如何供電。

我在非常低功耗的超小型設備中使用了這種方法，用戶(hù)可以通過(guò)將電線(xiàn)焊接到板上來(lái)提供自己的電源。用戶(hù)錯誤的機會(huì )很高，并且橋式整流器的效率低下對設備或特定應用的影響可忽略不計。

場(chǎng)效應管

與上面的二極管相比，MOSFET的導通電阻非常低，可以為消耗數百安培的DC電路提供反極性保護，或者為電池供電的電路提供非常有效的反極性保護。由于導通電阻低，電路上幾乎沒(méi)有額外的熱負擔。

只要電路具有單個(gè)正電壓電源端子（使用P溝道MOSFET）或單個(gè)接地回路（使用N溝道MOSFET），就可以使用MOSFET進(jìn)行反極性保護。如果連接的設備或備用電壓輸入的布置會(huì )產(chǎn)生備用電源或回路，則此方法將不適用。

在相同價(jià)格下，N溝道MOSFET的RDS（ON）低于P溝道，這使它成為適用于我的首先選擇解決方案。但是，在需要始終連接接地回路的設備中，與二極管相比，P溝道MOSFET仍然是一種非常高性能的解決方案。

為了增加MOSFET的反向電壓保護，我們能夠利用它們的幾個(gè)特性。首先，體二極管允許從源極到漏極引腳的傳導，其次，一旦柵極充電，MOSFET可以沿任一方向傳導電流。

N溝道MOSFET

N溝道MOSFET安裝在接地回路上，其電源與體二極管相連，該體二極管的方向是當電路由正確極性供電時(shí)導通。然后，柵極連接到設備電源的正輸入電壓軌。連接正確極性的電源時(shí)，體二極管完成電路，從而使柵極被激活并使體二極管短路。

P溝道MOSFET

P溝道MOSFET的設置基本上與N溝道相反。體二極管的方向是將電流從正電源傳導到電路的其余部分，并且柵極接地。當施加正確的電壓極性時(shí)，柵極變?yōu)榈碗娖讲?/span>MOSFET充電，這會(huì )使體二極管短路，從而使MOSFET正常導通，從而完成了電路。

過(guò)電流

如果產(chǎn)品的電纜或設備處于錯誤狀態(tài)會(huì )消耗大量電流（例如電動(dòng)機失速），則過(guò)流保護可以節省時(shí)間。電纜可能會(huì )在內部斷裂，或者可能受到外力損壞，從而導致導體短路，從而在電路板上產(chǎn)生高電流負載。這會(huì )快速加熱不適合該負載的走線(xiàn)，導致走線(xiàn)失敗，或使連接到這些導體的電源或其他設備負擔過(guò)多。

自恢復保險絲

正溫度系數（PTC）保險絲是一種保護裝置，可確保在電流消耗超過(guò)其額定值時(shí)電路會(huì )斷電。電流消耗恢復正常后，保險絲再次開(kāi)始導通。如果您的電流需求超過(guò)大約10安培，或者您的電壓超過(guò)60V，那么可重設的保險絲不適合您，您將需要尋找其他選擇，例如玻璃或陶瓷保險絲。這些保險絲為高電流設備提供了出色的保護，但是，像大多數保護措施一樣，它們確實(shí)有一些缺點(diǎn)。

可復位保險絲是通過(guò)將導電顆粒緊密粘結在塑料填充物中而形成的。當保險絲處于常溫下時(shí)，會(huì )有大量的導電材料為電流以中等電阻流經(jīng)器件的路徑提供路徑。隨著(zhù)電流的增加，保險絲變熱，導致塑料膨脹。因此，這種膨脹開(kāi)始使導電顆粒分離，這增加了電阻，從而導致保險絲以指數方式更快地升溫。保險絲達到這樣的程度：只有少量電流才能使塑料保持足夠熱，以維持低電導率的穩定狀態(tài)。

在我看來(lái)，這種穩態(tài)是保險絲的較大缺點(diǎn)。我在市場(chǎng)上能找到的表面貼裝器件中的最小保持電流為10mA，這對應于室溫下21mA的跳閘。這是一個(gè)相當窄的范圍，如果器件在21mA電流下跳閘，則可能會(huì )在10mA電流下以降級狀態(tài)繼續工作，這可能會(huì )造成損壞。在表面貼裝PTC保險絲中，保持電流通常是跳閘電流的一半，因此，如果設備在跳閘電流下將要損壞，則必須確保在跳閘電流的一半時(shí)也不會(huì )損壞設備。 。如果它可能在跳閘電流的一半處被損壞，則一旦檢測到這種狀態(tài)就應該采取另一種關(guān)閉自身的方法以防止損壞。

玻璃/陶瓷保險絲

如果您制造的設備的確達到了電流閾值，則意味著(zhù)發(fā)生了嚴重的錯誤，可以使用玻璃或陶瓷保險絲?？焖偃蹟嗥骺赡軙?huì )在超過(guò)額定電流的幾毫秒內發(fā)生故障，而慢熔熔斷器則允許您在需要時(shí)暫時(shí)超出電流限制一小部分，例如浪涌電流。

不可復位的保險絲是最終的解決方案，但是，它們只能保護免受超過(guò)保險絲額定值的電流的影響。就在一周前，我看到了一個(gè)高端品牌的實(shí)驗室電源電路板，它的保險絲完好無(wú)損，但電路板在幾個(gè)地方都被燒焦了。無(wú)論哪種原因，板上都有一個(gè)MOSFET發(fā)生故障，并且該故障給其余的H橋MOSFET施加了過(guò)多的負載，而其余的H橋MOSFET似乎都在快速，連續不斷地發(fā)生故障。但是，該器件的保險絲什么也沒(méi)有做，因為每個(gè)單獨的MOSFET在小于保險絲額定值的負載下發(fā)生故障。

如果您打算使用保險絲，則可以購買(mǎi)用戶(hù)無(wú)法維修的表面安裝保險絲，也可以購買(mǎi)可隨時(shí)使用的保險絲座，以供用戶(hù)維修。通常，我傾向于使保險絲不為用戶(hù)服務(wù)，因為這會(huì )迫使客戶(hù)/客戶(hù)將板子退還給您，從而使您能夠調查保險絲起初爆裂的原因。它使您能夠確定導致保險絲燒斷的電流狀況是由組件退化引起的，或者相反，電流消耗本身是由組件退化引起的。只需更換保險絲并重新打開(kāi)設備，可能會(huì )導致保險絲立即再次熔斷，或者更糟的是，退化的組件可能會(huì )在保險絲閾值以下失效，從而對設備造成更大的損壞。有些人討厭供應商必須維修的保險絲，

靜電放電（ESD）

如果您生活在世界上海拔低，濕度高的地區，那么ESD可能不會(huì )輕易成為您設計過(guò)程中的因素。如果您游覽丹佛或卡爾加里等高海拔或低濕度的城市，您會(huì )發(fā)現自己觸手可及的閃電震撼著(zhù)您周?chē)乃腥?。僅僅因為您生活在一個(gè)美好的環(huán)境中，就不會(huì )在您的皮膚上積聚成千上萬(wàn)伏的電壓，因此不可能立即放電，這并不意味著(zhù)您的產(chǎn)品就不會(huì )在那里使用。如果用戶(hù)在地毯上走路或脫下外套時(shí)不小心觸摸了一下，這給他們帶來(lái)了很大的靜電，則您的設備可能會(huì )損壞或嚴重損壞。

提供出色的ESD保護是一個(gè)相當大的話(huà)題，因此本文將僅介紹各種選項，不久將發(fā)表另一篇涉及ESD保護的文章。

TVS二極管

TVS二極管是非常便宜，最可靠的輸入ESD保護方法之一。TVS二極管還提供出色的保護，以防止意外的瞬態(tài)電壓。

在我設計的大多數設備上，我都會(huì )向用戶(hù)可能觸摸或接近手指觸摸的每個(gè)輸入添加一個(gè)TVS二極管。22kV的放電應該能夠跳出約20mm的間隙，因此，不能保證僅在連接器插入件上設置引腳即可防止ESD。TVS二極管價(jià)格便宜，結構緊湊并且易于添加到設計中，因此沒(méi)有理由不使用它們。有很多可用的設備不會(huì )干擾高頻通信，例如USB 3.0，可以在所有連接上使用它們。

盡管我提到TVS二極管可能無(wú)法承受很大的靜電放電事件，但每條線(xiàn)路上都有便宜的二極管將使您能夠承受絕大多數放電，而無(wú)需花費大量的氣體放電管。我聽(tīng)過(guò)一些工程師說(shuō)，您不應該在ESD保護上浪費錢(qián)，因為它可能無(wú)法保護電路免受所有事件的影響，但是，事實(shí)證明它至少可以防止95％的事件發(fā)生，這對我來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

氣體放電管避雷器

氣體放電管并不是特別適合于保護直接暴露在連接上的微控制器輸入，但是非常擅長(cháng)于保護交流電源輸入或電信設備免受ESD甚至雷擊。如果您需要急速將大量能量轉移到地面，那么排氣管正是您想要的。

氣體放電管通過(guò)其輸入端與地面之間的電壓使內部氣體電離。一旦達到此閾值，電離的氣體就可以傳導比相同大小的硅器件更大的電流。

就像我說(shuō)的那樣，這些對于保護您的微控制器不是特別有用-火花放電電壓所儲存的大量氣體放電管清楚地說(shuō)明了原因。大約有20％的火花過(guò)電壓在100V以下，在150V和250V之間在20％，在250V和350V之間在20％，在350V和1000V之間在20％，其余超過(guò)1000V。這為您提供了一個(gè)很好的應用思路-它們通常與110V設備，240 / 250V設備，380 / 400V設備和其他設備一起使用，只有少數幾個(gè)選項可用于90V以下的設備。如果氣體放電管需要阻止進(jìn)入的能量，這將使3.3v微控制器的輸入可能被電壓和電流燒壞。

如果您的電信設備或連接到交流電源的設備應具有處理安裝人員或照明設備發(fā)出的ESD事件的能力，則GDT可能會(huì )為您完成這項工作。低成本的氣體放電管可以輕松承受5,000A的電流，并提供高達25,000A的緊湊型選件。

為了處理這么大的電流，需要認真考慮氣體放電管周?chē)慕拥剡B接，以確保您不會(huì )通過(guò)蒸發(fā)接地回路來(lái)保護電路板。

PCB設計功能

無(wú)需任何外部組件即可構建窮人的ESD保護。高壓希望盡快有效地接地，并會(huì )愉快地使一些空氣電離，從而形成到達那里的導電路徑。通過(guò)在電路板上創(chuàng )建兩個(gè)相互指向的三角形，一個(gè)三角形要保護的連接器引腳，另一個(gè)在接地平面上，可以創(chuàng )建一個(gè)簡(jiǎn)單的火花隙。具有足夠大的間隙，ESD事件很容易觸發(fā)，但正常的設備操作不會(huì )，因此，您可以為電路板提供一些基本的保護。

盡管易于使用，但一些工程師質(zhì)疑火花隙是否值得花時(shí)間進(jìn)行設計，因為它們確實(shí)存在一些缺點(diǎn)。與氣體放電管一樣，火花過(guò)電壓與邏輯電平電壓相比相對較高。這意味著(zhù)火花隙可能無(wú)法充分保護您的微控制器或其他邏輯電平設備的輸入或輸出免受ESD事件的影響。導體和接地線(xiàn)之間裸露并彼此間隔很近，也可能使污染物潛在地跨過(guò)間隙并傳導電流，這可能會(huì )使信號失真或降低連接的功能，即使沒(méi)有完全損壞。

根據您的應用程序，在連接器中留出火花隙可能是審慎的做法，但是，在其他應用程序中，這可能是導致設備過(guò)早失效的途徑。

后期制作保護

并非所有應用于電路板的保護都在電路中。您可能還需要在板上涂上某種物質(zhì)，以確保其免受腐蝕和濕氣的侵害，或改善整體電氣保護。

保形涂層

保形涂層對于將要暴露于許多環(huán)境挑戰的電路板而言是極好的選擇。保形涂層電路板將是防潮或防水的，并且不受灰塵或其他碎屑的影響，從而在電路板上造成短路，并且還可以抵抗來(lái)自大氣的腐蝕。保形涂層可通過(guò)為安裝在板上的零件提供額外的附著(zhù)力和穩定性，來(lái)幫助暴露于中等振動(dòng)的電路。

保形涂層可以噴涂在板上或在其上刷涂，具體取決于表面積和復雜性，這取決于您需要覆蓋的幾何形狀。您將不希望在連接器或需要焊接導線(xiàn)的區域上獲得保形涂層，因為這會(huì )防止電接觸。專(zhuān)門(mén)從事惡劣環(huán)境的電路板或大量軍用產(chǎn)品的合同制造商中，有很大比例的合同制造商將擁有為您自動(dòng)在電路板上噴涂保形涂料的設施。如果您的工作量較小，則手動(dòng)申請相對較快。

灌裝

如果您認為保形涂層聽(tīng)起來(lái)不錯，那您一定會(huì )喜歡灌封電子產(chǎn)品的想法。灌封通常是指用非導電性樹(shù)脂（例如硅樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂）填充電路板的外殼，從而將電路板與干預的手完全隔離開(kāi)來(lái)，并大大增強了設備承受沖擊和振動(dòng)的能力。如果您使用的是高壓，則用導電性低得多的物質(zhì)代替空氣可以使您在組件之間的爬電間隙較小的情況下逃脫，并減少由于高壓使空氣離子化而導致故障的機會(huì )。灌封的電子設備通常會(huì )不受其放置環(huán)境的影響，而樹(shù)脂會(huì )起到防塵，防潮和防腐蝕的作用。

如果您需要滿(mǎn)足以下條件，則最有可能考慮對電子設備進(jìn)行灌封：

防爆設計（即，您的設備絕不可能在易揮發(fā)的氣氛中爆炸）。

電壓很高。

處理高振動(dòng)或沖擊。

極端環(huán)境條件（例如腐蝕，濕氣，壓力，真空）

如果您在設備上澆注環(huán)氧樹(shù)脂之類(lèi)的樹(shù)脂幾乎是不可能脫離每個(gè)組件的，那么您就不必擔心有人會(huì )對您的產(chǎn)品進(jìn)行逆向工程，因為對于他們來(lái)說(shuō)，訪(fǎng)問(wèn)電路板和組件可能是不切實(shí)際的。

缺點(diǎn)之一是您幾乎也無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)電路板和組件。這意味著(zhù)一旦將板裝好后就無(wú)法修復或診斷，因此如果用戶(hù)收到板后如果板發(fā)生故障，唯一的選擇就是完全更換。

另一個(gè)缺點(diǎn)是導熱性差。有可用的導熱樹(shù)脂，它們可以提供更好的散熱性能，但是它們可能非常昂貴。將電路板完全封裝在既不導熱又不透氣的物質(zhì)中，會(huì )導致任何需要散發(fā)大量熱量的設備因過(guò)熱而失效，同時(shí)也使散熱器的使用變得困難。

雖然我們討論了與大多數人相關(guān)的電路保護方法，但PCB設計已集成在許多不同的行業(yè)中。有些應用程序可能需要更嚴格的保護方法，而另一些應用程序可能只需要很少的保護就可以擺脫。在下面的評論部分中告訴我們您的想法。