设计用于瞬态电压抑制的 PCB

2021-07-06

设计用于瞬态电压抑制的 PCB

飞机中、靠近高压设备且接地策略较弱的 PCB 存在因静电放电 (ESD) 而损坏的严重风险。当 ESD 发生时，巨大的电流尖峰会通过您的电路板传播，从而损坏组件和热敏感组件。有多种方法可以保护您的电路板免受 ESD 的影响。除了实施正确的接地策略外，选择正确的元件来抑制电路板中的 ESD 将保护敏感元件免受高电流的影响。Altium Designer 包括实施正确接地策略所需的工具，并包括保护电路板免受 ESD 影响所需的组件。

在单个软件程序中具有最佳组件管理、原理图设计和布局功能的 PCB 设计包。

如果您将电源板用于家用电子产品，那么您已经了解它们提供的电涌保护。如果发生雷击、家庭电线短路或大面积停电后，浪涌保护器将充当电压抑制器，抑制电子设备中感应的电压和电流尖峰，保护它们免受损坏。一些电涌保护器包括一个断路器，在发生电涌时会跳闸，完全阻止任何有害的电流尖峰损坏您的电子设备。

并非所有 PCB 都是可以使用电涌保护器保护的系统的一部分。虽然消费电子产品可以连接到 110 V 或 220 V 交流线路上的电涌保护器，但工业电子产品可以连接到各种不同的电源。除了电源浪涌之外，这些板还可能受到来自各种来源的放电。靠近其他弱接地的高压系统的电路板可能会收到 ESD，从而在电路和组件中感应出较大的瞬态电压。这会对您的组件造成严重损坏并损坏您的电路板。

在航空航天中，根据 FAA 标准要求瞬态电压抑制，航空电子系统中的功率可接受性应根据 CBEMA 曲线设计。雷击期间可能会在飞机上产生巨大的电压和电流尖峰，飞机中的关键电气系统必须设计成能够承受这些事件。

您可以在电路板上实施多种瞬态电压抑制方法，包括包含用于保护的特定组件或实施正确的接地策略。无论您选择哪种方法，您都需要使用设计软件，以便在 PCB 级别轻松实现这些保护。这不仅仅是计划使用电涌保护器或断路器来保护电子设备。

使用组件进行瞬态电压抑制

对于瞬态电压抑制器并防止损坏敏感电路的最简单方法可能是在出现尖峰时切断电路电源。这就像在电路板的线路上放置一个断路器一样简单。一旦电流超过某个阈值，断路器将跳闸，电路将切断电源。

虽然这对于防止因电涌保护器无法抑制的电涌而损坏您的电路是很好的，但它无助于防止 ESD 从外部源直接传播到您的电路板。您可以将保险丝和小型断路器直接放置在较大的电路板上以保护敏感电路，但这些元件太大而无法包含在与高性能组件接口的较小的现代电路板上。更进一步需要使用专门为瞬态电压抑制设计的组件。

瞬态电压抑制组件

提供瞬态电压抑制器的组件可以采用多种形式。电弧触点、滤波器和固态半导体器件都用于敏感电路中的电流尖峰保护。一种流行的用于电流抑制的半导体器件是金属氧化物变阻器。这些器件具有各种瞬态电压值的额定值，并且很容易作为通孔组件包含在电路中。

另一个用于敏感电路瞬态电压抑制的流行组件是 TVS 二极管。一旦电压或电流尖峰的幅度超过二极管的雪崩击穿阈值，这些二极管就会通过分流过电流来提供过压保护。与压敏电阻或气体放电管等较旧的设备相比，这些组件对过压的响应速度要快得多。

任何用于瞬态电压抑制的浪涌保护设备都可以与负载串联使用，以衰减进入附近组件的电流。它们还可以与负载并联使用，以将瞬变转移到接地连接。

ESD 可能来自许多外部来源，在电信、配电和航空电子系统中尤为重要。

抑制 PCB 中 ESD 的一个有用组件是在关键电路中放置一个 TVS 二极管。

迹线和阻抗匹配网络的端接方法在天线设计之外很有用。

使用 Altium Designer 搜索和比较库中的组件

采用正确接地策略的 ESD 保护

即使您使用浪涌保护设备绕过敏感电路的电流尖峰或使用滤波器抑制瞬态电压，当您使用正确的接地策略时，您也可以为您的电路提供出色的 ESD 保护。将连接放回机箱接地会将任何耗散电流送回大地或大导体，确保系统中的任何电流尖峰都不会损坏敏感组件。

带元件和接地的浪涌保护

单独使用组件并不是解决 ESD 问题的万能药，这同样适用于正确接地。您应该选择使用这两种策略来保护您的电路免受 ESD 引起的电流尖峰的影响，而不是仅仅依靠组件或接地。放置您需要的组件并定义接地电流吸收器需要正确的 PCB 设计软件以及广泛的组件库和电路建模功能。

瞬态分析是确定浪涌保护过滤策略有效性或评估 PCB 中 TVS 二极管有效性的绝佳工具。

一旦您设计了接地策略并完成了布局，您就可以验证其有效性并使用 PDN 分析仪检查接地回路、潜在的热问题以及岛屿或半岛。

PDN 分析仪可能是复杂的野兽，但它们可以在单个模拟输出中显示有关配电网络的大量信息。

Altium Designer 中 PDN 分析器的输出示例

使用最好的 PCB 软件设计强大的 ESD 保护

使用完整的 PCB 设计软件包将允许您在单个界面内的电路板中包含浪涌保护或钳位电压策略。您不需要在不同的原理图设计、布局和电源分析工具之间切换来设计您的电路板。相反，您的所有关键工具都应该放在一个界面中，让您能够在一个程序中为您的 PCB 实施最佳电路保护策略。

Altium Designer：单一封装中的最佳设计工具

当您的设计、布局和分析工具出现在单个界面中时，您可以识别可能造成 ESD 漏洞的设计问题，并在单个程序中纠正它们。没有其他 PCB 设计软件程序能提供 Altium Designer 的生产力和适应性。

Altium Designer 中规则驱动的设计引擎可帮助您发现设计错误并确保您的所有设计功能协同工作。

统一设计意味着您所有重要的设计工具都放在一个程序中，该程序以一致的工作流程运行。只有 Altium Designer 才能创建这种环境，并将您的原理图设计、布局、组件管理和分析工具放在一个程序中。

使用 TVS 二极管等组件进行瞬态电压抑制需要保留大量组件库并管理您的供应链。

使用 Altium Designer，您可以在一个程序中访问您的组件库和布局工具。您不必在程序之间切换来实施接地策略或特殊组件来抑制 PCB 中的 ESD。无论您是在航空航天、发电和配电还是任何其他行业工作，Altium Designer 都能为您提供设计 ESD 保护和瞬态电压抑制所需的工具。

在统一的设计环境中工作似乎并不熟悉，但 Altium 将提供资源帮助您取得成功。如果您需要入门帮助，或者您只是在寻找有用的设计技巧，您可以访问广泛的知识库、网络研讨会和设计专家播客、AltiumLive 论坛和有用的功能教程。Altium 为您提供快速加速并获得设计成功所需的所有资源。

没有其他设计平台在单个程序中包含您需要的重要原理图设计、组件管理和布局功能。您无需使用具有不一致工作流程和分离功能的多个程序，您需要使用唯一适用于任何应用程序的集成 PCB 设计软件。使用 Altium Designer 实施 ESD 保护策略和您的下一个设备所需的组件。