چگونه میتوانیم از مدار در برابر خطرات احتمالی محافظت کنیم؟

سه عامل که می توانند قطعات با ارزش مدار ما را از بین ببرند یا طول عمر محصول ما را کاهش دهند over voltage ،over current ،گرما هستند. بدون حفاظت مدار ما می تواند آسیب پذیر باشد، پس چه باید کنیم؟

ما به عنوان یک طراح باید اقداماتی برای حفاظت هر چه بیشتر مدار انجام دهیم . در حالت ایده‌آل، ما با فهرست کردن خطرات احتمالی  شروع می‌کنیم. در اینجا، با در نظر گرفتن  شیوه‌های مدیریت ضعیف توسط مشتری (از جمله اثرات ESD) گرفته تا اثرات امواج صاعقه غیرمستقیم که پتانسیل‌هایی را تولید می‌کنند و بر حسب کیلو ولت در PCB ما اندازه‌گیری می‌شوند، شروع می کنیم.

خطراتی که میتواند موجب آسیب مدار ما شود :

۱-MIL-STD-883 ESD (تخلیه الکترواستاتیک).

۲-IEC 61000-4-5 موج های صاعقه غیرمستقیم (خطوط برق AC و خطوط سیگنال/داده)

۳-نوسانات برق AC – پایداری منبع محلی ما چقدر خوب است؟

۴-استفاده نادرست مشتری از مدار

۵-دمای بیش از حد شامل شرایط آب و هوایی غیرمنتظره و طولانی مدت

یکی از اقداماتی که معمولاً از اجزای PCB ما به طور کامل محافظت نمی کنند:

شایان ذکر است که تکنیک‌هایی که در صنعت ما استفاده می‌شوند و برای محافظت از PCBها هستند به اندازه کافی موثر نیستند. بسیاری از مهندسان عقیده دارند که فیوز از ماسفت یا دیود در برابر over voltage شدن محافظت می‌کند، اما این مورد محافظت کامل را برای مدار ما ایجاد نمیکند و تا حدودی ابتدایی ترین نوع محافظت است؛ زیرا در اکثر فیوزها زمان زیادی طول میکشد تا در اثر مواجهه با جریان بالا در زمان مناسب منفجر شوند و از مدار در برابر تغییرات گذرا محافظت کنند.

فیوز

ما از فیوز ها در مدارات بسیاری استفاده میکنیم، اما وظیفه اصلی آن ها چیست؟ فیوز از آسیب به زیرساخت ها جلوگیری می کنند.برای نمونه از آتش سوزی سیم کشی های داخل دیوار جلوگیری می کنند و در صورتی که یک قطعه (مانند ترانسفورماتور AC یا SMPS) در یک اتصال کوتاه بسوزد، از بقیه مدار محافظت می کند (از سوختن قطعات بعدی نیز جلوگیری می کنند). همیشه نمی توان از فیوز ها برای محافظت از قطعات PCB، به جز در چند موقعیت خاص، استفاده کرد.

راه های پیشنهادی که میتواند از برد شما محافظت کند:

قطعات و تکنیک هایی که در ادامه خدمت شما معرفی میکنیم میتواند از قطعات مدار شما در برابر over voltage و over current شدن محافظت کند:

۱. دیودهای زنر و دیودهای TVS

استفاده از دیود زنر سالهاست که به عنوان یک اقدام حفاظتی مدار مورد استفاده قرار می گیرد. دیود TVS معمولاً دارای ظرفیت ترمینال بسیار بالاتری در مقایسه با دیود زنر هست و در برخی کاربردها باعث تخریب قابل توجه سیگنال‌های فرکانس بالا می‌شوند که با دیود زنر قابل مشاهده نیست.ویژگی اصلی دیود زنر این است که می تواند ولتاژ را با دقت بیشتری نسبت به TVS تنظیم کند و به همین دلیل است که از آنها در مدارهای تنظیم کننده ولتاژ استفاده می شود.

از سوی دیگر، دیودهای TVS عموماً غیر رسانا انتخاب می شوند، در حالی که دیودهای زنر رسانا و تنظیم کننده فرض می شوند. هر دو می توانند در کاربردهای over volt شدن موثر باشند، اما دیود TVS به طور خاص برای ESD و رویدادهای موجی طراحی شده است. در ادامه می توان گفت که دیود TVS همچنان از مدار ارزشمند ما محافظت می کند (حتی اگر فیوز منفجر شود).

۲. واریستورهای اکسید فلز (MOV)

از واریستورهای اکسید فلز مانند دیودهای TVS، برای مقابله با تغییر ولتاژ یا جریان کوتاه و ناگهانی که برای ما به شدت نامطلوب است استفاده می شود. MOV تنها در محدوده AC کار میکند که یک دیود TVS در حال حاضر نمی تواند از پس آن بر بیاید. یکی از معایب اصلی MOV ها این است که هر بار که یک سیگنال را کنترل می کند، اندکی فرسوده می شود و هر چه ولتاژ دریافتی قوی‌تر باشد، فرسوده تر می شود تا در نهایت به دلیل افزایش دما از کنترل خارج میشود و منبع AC را اتصال کوتاه میکند یا شروع به سوختن می کند. به همین دلیل است که هنگام استفاده از MOV در خطوط AC، باید از فیوز نیز در مدار حفاظت استفاده شود.

۳. محافظCrowbar – لوله های تخلیه گاز (GDTs)

GDTها در بسیاری از مدارهای محافظتی مفید هستند زیرا می توانند جریان هایی که افزایش ناگهانی دارند را مدیریت کنند. عملکرد آن ها به این گونه است که هنگامی که افزایش جریان ناگهانی رخ میدهد سطح ولتاژ را کاهش میدهند. نقطه ضعف اصلی این محافظ این است که تا زمانی که مکانیزمی برای از بین بردن سیکل پایین (مانند ولتاژ AC که به صورت چرخه ای از صفر ولت عبور می کند) وجود نداشته باشد، آنها به طور دائم روشن می مانند.به همین دلیل است که این نوع محافظ برای سیستم های ولتاژ DC مناسب نیستند زیرا مکانیزم خاموش کننده طبیعی را ندارند.

این نوع از محافظ ها در تعداد زیادی از خطوط مخابراتی استفاده می شوند. یکی از معایب این است که در مقایسه با دیودهای MOV و TVS نسبتا کند هستند. به همین دلیل، گاهی اوقات همراه با یک MOV استفاده می شوند. MOV موج لبه اولیه را کنترل می کند و پس از یک میکروثانیه یا بیشتر، GDT وظیفه مدیریت ایمن انرژی سیگنال را بر عهده می گیرد. GDT ها همچنین می توانند با استفاده مکرر فرسوده شوند و در اتصال کوتاه خراب شوند.

۴. انواع دیگر حفاظ Crowbar

یک روش استاندارد و ساده استفاده از تریستور (یا Triac) است. هنگامی که یک سیکل ولتاژ تشخیص داده شد، تریستور فعال می شود و منبع ولتاژ را به سطح پایینی میرساند (به روشی بسیار شبیه به GDT). معمولاً از فیوزی استفاده می شود که خط را مدار باز می کند. با این حال، طرح‌های پیچیده‌تری نسبت به استفاده از مدارهای محدودکننده جریان (و تایمرها) در دسترس هستند، به طوری که پس از «از بین رفتن سیکل»، مدار به «عملکرد عادی» باز می‌گردد. این نوع دوم به عنوان یک مدار self-resetting (یا فعال) شناخته می شود.

اگر یک مدار الکترونیکی گران قیمت و آسیب‌پذیر داشته باشیم که از یک تنظیم‌کننده ولتاژ نسبتاً ارزان تغذیه می‌شود (که می‌تواند اتصال کوتاه پیدا کند)، یک Crowbar می‌تواند حفاظت ثانویه مطمئنی را ارائه دهد. با این حال، سرعت عمل کافی را ندارند و ممکن است تا چندین میکرو ثانیه طول بکشد تا حفاظت کافی را ایجاد کنند.

خازن ها

خازن ها کاربردهای بسیار زیادی در مدارات الکترونیکی دارند، اما یکی از کاربردهای مهم آنها برای محافظت از نوسانات، به ویژه در برابر حوادث ESD می باشد. فرض کنید که یک رویداد ESD خاص “بدن انسان” (HB) معادل یک خازن ۱۰۰ pF است که برای مثال  ۲۰۰۰ ولت شارژ می شود، که سپس از طریق یک مقاومت ۱.۵ کیلو اهم بر روی PCB ما تخلیه می شود. مقاومت را فراموش کنید و از خود بپرسید که چه مقدار خازن را می توان به ورودی حساس من اضافه کرد تا ولتاژ را تا  ۲۰ ولت کاهش دهد؟ “شارژ” در خازن ۱۰۰ pF ظرفیت خازنی ضرب در ولتاژ است که برابر با ۲۰۰ nC است.

حالا این شارژ را روی یک خازن ۱۰ نانوفاراد اعمال کنید . متوجه می شویم که ولتاژ ۲۰ ولت می شود. به عبارت دیگر، خازن ها در برخورد با رویدادهای ESD عالی هستند. بنابراین، اگر مدار ما می تواند یک خازن ۱۰ nF را در ورودی خود تحمل کند، در نتیجه میتوان دریافت که این طرح بهترین و ساده ترین راه برای محافظت از مدار است.

مقاومت ها

من بسیاری از طراحان را دیده ام که سعی می کنند یک دیود TVS را به مدار خود متصل کنند تا از یک ورودی آسیب پذیر در برابر یک رویداد ESD محافظت کنند. بارها شنیده ام که این طراحان می گویند: “من نمی توانم دیود TVS با ولتاژ کافی برای محافظت از ورودی CMOS خود را پیدا کنم.” بنابراین، ما از یک مقاومت محدود کننده جریان سری بعد از دیود TVS استفاده می کنیم.

مقاومت سری جریان ، ورودی CMOS را به ۱ میلی آمپر محدود می کند (یا هر مقداری که در دیتاشیت آمده باشد)، و سپس یک دیود TVS را انتخاب می کنیم . این بدان معنی است که اگر منبع تغذیهCMOS 3.3 ولت باشد، ۶.۷ ولت در مقاومت (در ۱ میلی آمپر) کاهش می یابد و از ورودی محافظت می کند. این به عنوان یک مقاومت ۶.۸ کیلو اهم عمل می کند که ارزان خواهد بود.

فیلترهای اصلی RC یا LC

ما از این مدارات برای داشتن محدوده خاصی از سیگنال ها استفاده میکنیم، برای مثال میتوانند پیک بالای فرکانس را برای ما حذف کنند، فیلترهای RC پایین گذر به طور طبیعی این کار را بدون دردسر انجام می دهند. پیک ولتاژ خروجی می تواند به طور قابل توجهی کوچکتر باشد و انتخاب دیود TVS را آسان تر می کند. مقاومت سری همچنان تحت قدرت قابل توجهی خواهد بود، اما شبیه سازی آن آسان است. شکل موج را می توان با خطوط مستقیم تقریب زد، و تقریباً تمام ابزارهای شبیه سازی معمولی در دسترس، توانایی اندازه گیری توان و انرژی مصرف شده توسط هر جزء در مدار را ارائه می دهند.

فیلترهای LC پایین گذر نیاز به مراقبت بیشتری دارند، اما استفاده از ابزار شبیه ساز سودمند تر است. تضعیف فرکانس بالا فیلتر LC پایین گذر دو برابر بهتر از فیلتر RC با فرکانس قطع یکسان است. با این حال، انرژی اضافی در یک مقاومت سوزانده نمی شود. گاهی اوقات، شکل موج پیک ولتاژ خروجی به همان اندازه برای یک دیود TVS کم توان مضر است. بنابراین، از یک شبیه ساز استفاده کنید و آماده باشید که از یک مقاومت موازی با سلف (برای کاهش ضریب Q) یا یک مقاومت به صورت سری با سلف به همین دلیل استفاده کنید.

بسیاری از سیستم‌های انتقال داده، محتوای طیفی زیر چند مگاهرتز ندارند، و استفاده از یک فیلتر بالاگذر (یا یک فیلتر میان گذر) نیز می‌تواند یک روش موثر کاهش انرژی افزایشی باشد.

حفاظت حرارتی

اگر منبع تغذیه ما در مدت زمان طولانی بیش از حد داغ شود خازن‌های الکترولیتی سریعتر از هر جزء دیگری تخریب می‌شوند. هر ماژول قدرت (مانند SMPS) احتمالا داغ ترین قسمت مدار ما خواهد بود، بنابراین ارزش آن را دارد که برای کاهش اثرات حرارتی اقدامی کنیم.می‌توانیم انتخاب کنیم منبع تغذیه خود را از برق ورودی قطع کنیم یا این که از یک مدار خاص و احتمالاً یک رله یا رله حالت جامد (SSR) و یا از یک فیوز حرارتی استفاده کنیم.

میتوانیم فیوز حرارتی را انتخاب کنیم که اگر دما برای مدت زمان مشخصی از حد معینی بالاتر رفت، بشکند. پس از شکستن، برخی از انواع فیوزهای حرارتی نیاز به تعویض دارند، اما برخی دیگر با استفاده از bimetallic strip کار می کنند و پس از خنک شدن کافی، مجدداً تنظیم می شوند. نوعی از آن ها که بصورت خودکار تنظیم می شوند معمولاً برای کاربردهای برق DC ولتاژ پایین در نظر گرفته می شود.فیوزهای غیر قابل تنظیم و سازگار با برق متناوب را می توان نسبتاً آسان و ارزان تهیه کرد. با این حال، ما بایداین را در نظر بگیریم که آیا محصول ما باید خود را در برابر دمای بیش از حد پایدار محافظت کند و برای چندین دهه قابل استفاده باشد، یا اینکه محصول ما باید با وجود دمای بالا برای ادامه کار خود مبارزه کند اما در نهایت یک یا دو سال بعد از کار بیفتد؟

بیشتر بخوانید:قرار دادن هیت سینک برای قطعات smd