PCB设计要考虑保护电路

2020-03-24

PCB设计是一个复杂的过程，取决于许多因素。工程师通常要负责寻找具有成本效益的解决方案，同时保持其最终产品的高可靠性。故保护电路是PCB设计着重要考虑的环节。虽然在电路板上添加一系列保护措施会增加单位成本，但它也可以大大降低野外的故障率，而这种情况下，故障率将由其自己提供支持和更换成本。在许多情况下，与支持和更换成本相比，每单位成本的额外成本微不足道，因此将电路保护变成了必不可少的省钱机制。

在本文中，我们将研究可以添加到电路中的保护设备，这些保护设备不仅有助于使其更宽容用户的错误，不良的电源质量和意外事件，而且还可以确保其通过的可能性更大。符合性测试。我们将从电磁干扰开始，一次解决一个普遍遇到的安全问题。

电磁干扰（EMI）

减少辐射电磁能对于满足电磁兼容性合规性至关重要。此外，由于电磁干扰是双向的，因此在设计设备时必须考虑到传入干扰的能力。对于大多数设备，输入和输出的保护电路将是相同的，因此使您通过一致性测试的原因还可能使您免于拾取会损害产品信号完整性的能量。

除了符合电磁兼容性的通常要求之外，您可能正在设计一种设备，使其发现自己在工业环境中充满了流向电动机或其他耗电设备或大功率无线电设备的大电流。连接到设备的电缆可能会从感应场中吸收大量电压，这将使传感器读数不可靠或通信困难。更糟糕的是，您的设备可能已插入电源轨，该电源轨也为这些电噪声设备供电，从而允许电磁干扰通过电源连接直接进入电路。

铁氧体芯片

铁氧体磁珠或芯片（表面贴装）是可以添加到电路板上的很便宜，最简单的保护方法之一。不起眼的铁氧体可在放置点处抑制高频噪声，从而保护任一侧免受另一侧产生的噪声的影响。除非具有有效的屏蔽功能，否则插入设备的任何导电电缆都是天线。该电缆可以吸收环境噪声，也可以辐射电路噪声。

铁氧体芯片充当电路中的低通滤波器，对高频信号产生高阻抗。选择铁氧体芯片或磁珠时，关键指标是其在给定频率下的阻抗，该阻抗通常在1MHz或100MHz下测量。该规格将以欧姆为单位，因为铁氧体芯片似乎会发出信号以指示指定频率的分量，例如该值的电阻器。

电路的另一个关键指标是直流电阻（DCR（MAX）），它是铁氧体对直流信号的串联电阻。此串联电阻很重要，因为它将对电路产生影响，并且如果您试图通过与铁氧体串联的导体流过大电流，您可能会发现铁氧体变得很热-因此额定电流规格，在这种情况下必须考虑的重要因素。

铁氧体磁珠/芯片应在低频和直流导体上自由使用，以减少辐射噪声和接收噪声对电缆的影响。您还可以考虑在电路板上的某个敏感组件的电源导轨上局部串联一个电源，例如在使用非常低电压信号的模拟电路中存在的电源，这些电源导轨中的噪声可能会转化为信号。

Pi过滤器

在铁氧体芯片对交流信号具有高阻抗的情况下，电感器会提供高阻抗。电感器比铁氧体磁珠更不常用来保护设备的输入或输出，但是，如果与两个电容器配对使用，电感器可以成为降低传导噪声的有力工具。Pi滤波器之所以命名，是因为它看起来像希腊字母π，顶部带有一个电感，而两条脚则是电容器。这将创建一个有效的低通滤波器，两个电容器充当去耦作用，电感器为信号提供高阻抗。

如果您的设备正在从可能有噪声的电源接收电源，或者其中有大型开关电源，则输入上的Pi滤波器可能会大大减少EMI问题。电感器通常具有比铁氧体芯片更大的阻抗和电流处理能力，并且还具有更低的串联电阻。如果导体上有几安培的电流，或者看到很大的噪声，则Pi滤波器可能会比铁氧体芯片提供更好的保护。

大多数表面贴装，绕线，铁氧体磁芯电感器均提供屏蔽版本。当您使用电感器降低噪声时，屏蔽电感器可提供额外的保护。

串联终端电阻

如果您的信号线的频率超过几百千赫兹，则可能需要考虑在线路上添加一个50ohm的终端电阻，以提供阻抗匹配并减少反射。在数字传输线上，来自不正确端接信号的反射会产生逻辑电平歧义，从而导致数据损坏。在模拟线路上，反射会导致信号中的功率损耗和重影效应。

尽管这不是一种保护方法，而是一种好的设计实践，但这里值得一提。

射频屏蔽

如果要设计射频产品，处理非常低电压传感器信号的电路，或者是在非常不利的电磁环境中使用的电路，则要大幅减少电磁干扰的最终解决方案是将电路封装在射频屏蔽罩中。RF屏蔽层已接地，可以防止任何电磁干扰使其进入或穿出电路的裸露导体和组件。此外，将设计良好的牢固接地放置在PCB设计板上，组件将安装在该接地上，以防止噪声从底侧逸出或进入。但是，噪声可以并且将通过导体进入和离开屏蔽电路。其他措施，例如铁氧体芯片，可以减轻传导噪声。

可以购买各种尺寸的RF屏蔽，并且即使只有100个单位的小批量订购，也具有很高的成本效益。

如果不确定您的PCB设计板是否需要RF屏蔽，那么将其设计到PCB上而不放置它比修改电路板并为其中一个添加焊盘图案要容易得多。如果在测试过程中没有必要，则可以选择不使用RF屏蔽。

反极性

与科幻电影不同，当机长或工程师大喊“颠倒极性”时（通常是在战斗或其他严峻情况下），在现实世界中颠倒电源的极性更有可能释放魔力烟雾而不是产生烟雾。力场。如果用户使用了错误类型的电源线，或者输入连接器未极化，则很容易将设备的电源极性接反，这可能会使电路中的每个组件烧毁。

幸运的是，防止极性反转事件很容易。

输入二极管

添加反极性保护的最简单方法是简单地在正极导体上串联一个二极管。二极管只会正向传导，因此，如果输入连接不正确，将不会有电流流过。

这种方法有一些主要的缺点，它们与二极管的正向压降有关。如果为设备提供所需的确切电压，则二极管可能会将电压降到设备可靠工作的温度以下。

如果您的设备消耗的功率适中，则二极管可能会因与电流大小和正向压降成正比的功耗而过热。如果您选择的二极管具有足够的能力来应对这种热量，则它可能会为电路板提供足够的热量，从而导致其他组件无法可靠地工作，或者由于外壳内散热的增加而缩短了设备的使用寿命。

如果您的设备由电池供电，则由于二极管损耗增加导致效率降低，因此输入二极管会缩短电池或充电的使用寿命。这将导致需要更大，更重，更昂贵的电池来提供相同的运行时间。

因此，对于工作电流低于其输入电压的低电流设备，输入二极管通常只是一个好的解决方案。一个很好的例子是一个基本的微控制器电路，其工作电压为3.3v或更低，由USB电缆供电。

桥式整流器

如果对于您的应用来说，二极管的正向压降和相关的散热/效率低不是问题，那么您还可以通过在输入端使用桥式整流器来完全忽略极性。一个简单的桥式整流器将确保您始终具有可靠的正和负（或接地）电压轨，无论该设备如何供电。

我在非常低功耗的超小型设备中使用了这种方法，用户可以通过将电线焊接到板上来提供自己的电源。用户错误的机会很高，并且桥式整流器的效率低下对设备或特定应用的影响可忽略不计。

场效应管

与上面的二极管相比，MOSFET的导通电阻非常低，可以为消耗数百安培的DC电路提供反极性保护，或者为电池供电的电路提供非常有效的反极性保护。由于导通电阻低，电路上几乎没有额外的热负担。

只要电路具有单个正电压电源端子（使用P沟道MOSFET）或单个接地回路（使用N沟道MOSFET），就可以使用MOSFET进行反极性保护。如果连接的设备或备用电压输入的布置会产生备用电源或回路，则此方法将不适用。

在相同价格下，N沟道MOSFET的RDS（ON）低于P沟道，这使它成为适用于我的首先选择解决方案。但是，在需要始终连接接地回路的设备中，与二极管相比，P沟道MOSFET仍然是一种非常高性能的解决方案。

为了增加MOSFET的反向电压保护，我们能够利用它们的几个特性。首先，体二极管允许从源极到漏极引脚的传导，其次，一旦栅极充电，MOSFET可以沿任一方向传导电流。

N沟道MOSFET

N沟道MOSFET安装在接地回路上，其电源与体二极管相连，该体二极管的方向是当电路由正确极性供电时导通。然后，栅极连接到设备电源的正输入电压轨。连接正确极性的电源时，体二极管完成电路，从而使栅极被激活并使体二极管短路。

P沟道MOSFET

P沟道MOSFET的设置基本上与N沟道相反。体二极管的方向是将电流从正电源传导到电路的其余部分，并且栅极接地。当施加正确的电压极性时，栅极变为低电平并对MOSFET充电，这会使体二极管短路，从而使MOSFET正常导通，从而完成了电路。

过电流

如果产品的电缆或设备处于错误状态会消耗大量电流（例如电动机失速），则过流保护可以节省时间。电缆可能会在内部断裂，或者可能受到外力损坏，从而导致导体短路，从而在电路板上产生高电流负载。这会快速加热不适合该负载的走线，导致走线失败，或使连接到这些导体的电源或其他设备负担过多。

自恢复保险丝

正温度系数（PTC）保险丝是一种保护装置，可确保在电流消耗超过其额定值时电路会断电。电流消耗恢复正常后，保险丝再次开始导通。如果您的电流需求超过大约10安培，或者您的电压超过60V，那么可重设的保险丝不适合您，您将需要寻找其他选择，例如玻璃或陶瓷保险丝。这些保险丝为高电流设备提供了出色的保护，但是，像大多数保护措施一样，它们确实有一些缺点。

可复位保险丝是通过将导电颗粒紧密粘结在塑料填充物中而形成的。当保险丝处于常温下时，会有大量的导电材料为电流以中等电阻流经器件的路径提供路径。随着电流的增加，保险丝变热，导致塑料膨胀。因此，这种膨胀开始使导电颗粒分离，这增加了电阻，从而导致保险丝以指数方式更快地升温。保险丝达到这样的程度：只有少量电流才能使塑料保持足够热，以维持低电导率的稳定状态。

在我看来，这种稳态是保险丝的较大缺点。我在市场上能找到的表面贴装器件中的最小保持电流为10mA，这对应于室温下21mA的跳闸。这是一个相当窄的范围，如果器件在21mA电流下跳闸，则可能会在10mA电流下以降级状态继续工作，这可能会造成损坏。在表面贴装PTC保险丝中，保持电流通常是跳闸电流的一半，因此，如果设备在跳闸电流下将要损坏，则必须确保在跳闸电流的一半时也不会损坏设备。 。如果它可能在跳闸电流的一半处被损坏，则一旦检测到这种状态就应该采取另一种关闭自身的方法以防止损坏。

玻璃/陶瓷保险丝

如果您制造的设备的确达到了电流阈值，则意味着发生了严重的错误，可以使用玻璃或陶瓷保险丝。快速熔断器可能会在超过额定电流的几毫秒内发生故障，而慢熔熔断器则允许您在需要时暂时超出电流限制一小部分，例如浪涌电流。

不可复位的保险丝是最终的解决方案，但是，它们只能保护免受超过保险丝额定值的电流的影响。就在一周前，我看到了一个高端品牌的实验室电源电路板，它的保险丝完好无损，但电路板在几个地方都被烧焦了。无论哪种原因，板上都有一个MOSFET发生故障，并且该故障给其余的H桥MOSFET施加了过多的负载，而其余的H桥MOSFET似乎都在快速，连续不断地发生故障。但是，该器件的保险丝什么也没有做，因为每个单独的MOSFET在小于保险丝额定值的负载下发生故障。

如果您打算使用保险丝，则可以购买用户无法维修的表面安装保险丝，也可以购买可随时使用的保险丝座，以供用户维修。通常，我倾向于使保险丝不为用户服务，因为这会迫使客户/客户将板子退还给您，从而使您能够调查保险丝起初爆裂的原因。它使您能够确定导致保险丝烧断的电流状况是由组件退化引起的，或者相反，电流消耗本身是由组件退化引起的。只需更换保险丝并重新打开设备，可能会导致保险丝立即再次熔断，或者更糟的是，退化的组件可能会在保险丝阈值以下失效，从而对设备造成更大的损坏。有些人讨厌供应商必须维修的保险丝，

静电放电（ESD）

如果您生活在世界上海拔低，湿度高的地区，那么ESD可能不会轻易成为您设计过程中的因素。如果您游览丹佛或卡尔加里等高海拔或低湿度的城市，您会发现自己触手可及的闪电震撼着您周围的所有人。仅仅因为您生活在一个美好的环境中，就不会在您的皮肤上积聚成千上万伏的电压，因此不可能立即放电，这并不意味着您的产品就不会在那里使用。如果用户在地毯上走路或脱下外套时不小心触摸了一下，这给他们带来了很大的静电，则您的设备可能会损坏或严重损坏。

提供出色的ESD保护是一个相当大的话题，因此本文将仅介绍各种选项，不久将发表另一篇涉及ESD保护的文章。

TVS二极管

TVS二极管是非常便宜，最可靠的输入ESD保护方法之一。TVS二极管还提供出色的保护，以防止意外的瞬态电压。

在我设计的大多数设备上，我都会向用户可能触摸或接近手指触摸的每个输入添加一个TVS二极管。22kV的放电应该能够跳出约20mm的间隙，因此，不能保证仅在连接器插入件上设置引脚即可防止ESD。TVS二极管价格便宜，结构紧凑并且易于添加到设计中，因此没有理由不使用它们。有很多可用的设备不会干扰高频通信，例如USB 3.0，可以在所有连接上使用它们。

尽管我提到TVS二极管可能无法承受很大的静电放电事件，但每条线路上都有便宜的二极管将使您能够承受绝大多数放电，而无需花费大量的气体放电管。我听过一些工程师说，您不应该在ESD保护上浪费钱，因为它可能无法保护电路免受所有事件的影响，但是，事实证明它至少可以防止95％的事件发生，这对我来说已经足够了。

气体放电管避雷器

气体放电管并不是特别适合于保护直接暴露在连接上的微控制器输入，但是非常擅长于保护交流电源输入或电信设备免受ESD甚至雷击。如果您需要急速将大量能量转移到地面，那么排气管正是您想要的。

气体放电管通过其输入端与地面之间的电压使内部气体电离。一旦达到此阈值，电离的气体就可以传导比相同大小的硅器件更大的电流。

就像我说的那样，这些对于保护您的微控制器不是特别有用-火花放电电压所储存的大量气体放电管清楚地说明了原因。大约有20％的火花过电压在100V以下，在150V和250V之间在20％，在250V和350V之间在20％，在350V和1000V之间在20％，其余超过1000V。这为您提供了一个很好的应用思路-它们通常与110V设备，240 / 250V设备，380 / 400V设备和其他设备一起使用，只有少数几个选项可用于90V以下的设备。如果气体放电管需要阻止进入的能量，这将使3.3v微控制器的输入可能被电压和电流烧坏。

如果您的电信设备或连接到交流电源的设备应具有处理安装人员或照明设备发出的ESD事件的能力，则GDT可能会为您完成这项工作。低成本的气体放电管可以轻松承受5,000A的电流，并提供高达25,000A的紧凑型选件。

为了处理这么大的电流，需要认真考虑气体放电管周围的接地连接，以确保您不会通过蒸发接地回路来保护电路板。

PCB设计功能

无需任何外部组件即可构建穷人的ESD保护。高压希望尽快有效地接地，并会愉快地使一些空气电离，从而形成到达那里的导电路径。通过在电路板上创建两个相互指向的三角形，一个三角形要保护的连接器引脚，另一个在接地平面上，可以创建一个简单的火花隙。具有足够大的间隙，ESD事件很容易触发，但正常的设备操作不会，因此，您可以为电路板提供一些基本的保护。

尽管易于使用，但一些工程师质疑火花隙是否值得花时间进行设计，因为它们确实存在一些缺点。与气体放电管一样，火花过电压与逻辑电平电压相比相对较高。这意味着火花隙可能无法充分保护您的微控制器或其他逻辑电平设备的输入或输出免受ESD事件的影响。导体和接地线之间裸露并彼此间隔很近，也可能使污染物潜在地跨过间隙并传导电流，这可能会使信号失真或降低连接的功能，即使没有完全损坏。

根据您的应用程序，在连接器中留出火花隙可能是审慎的做法，但是，在其他应用程序中，这可能是导致设备过早失效的途径。

后期制作保护

并非所有应用于电路板的保护都在电路中。您可能还需要在板上涂上某种物质，以确保其免受腐蚀和湿气的侵害，或改善整体电气保护。

保形涂层

保形涂层对于将要暴露于许多环境挑战的电路板而言是极好的选择。保形涂层电路板将是防潮或防水的，并且不受灰尘或其他碎屑的影响，从而在电路板上造成短路，并且还可以抵抗来自大气的腐蚀。保形涂层可通过为安装在板上的零件提供额外的附着力和稳定性，来帮助暴露于中等振动的电路。

保形涂层可以喷涂在板上或在其上刷涂，具体取决于表面积和复杂性，这取决于您需要覆盖的几何形状。您将不希望在连接器或需要焊接导线的区域上获得保形涂层，因为这会防止电接触。专门从事恶劣环境的电路板或大量军用产品的合同制造商中，有很大比例的合同制造商将拥有为您自动在电路板上喷涂保形涂料的设施。如果您的工作量较小，则手动申请相对较快。

灌装

如果您认为保形涂层听起来不错，那您一定会喜欢灌封电子产品的想法。灌封通常是指用非导电性树脂（例如硅树脂或环氧树脂）填充电路板的外壳，从而将电路板与干预的手完全隔离开来，并大大增强了设备承受冲击和振动的能力。如果您使用的是高压，则用导电性低得多的物质代替空气可以使您在组件之间的爬电间隙较小的情况下逃脱，并减少由于高压使空气离子化而导致故障的机会。灌封的电子设备通常会不受其放置环境的影响，而树脂会起到防尘，防潮和防腐蚀的作用。

如果您需要满足以下条件，则最有可能考虑对电子设备进行灌封：

防爆设计（即，您的设备绝不可能在易挥发的气氛中爆炸）。

电压很高。

处理高振动或冲击。

极端环境条件（例如腐蚀，湿气，压力，真空）

如果您在设备上浇注环氧树脂之类的树脂几乎是不可能脱离每个组件的，那么您就不必担心有人会对您的产品进行逆向工程，因为对于他们来说，访问电路板和组件可能是不切实际的。

缺点之一是您几乎也无法访问电路板和组件。这意味着一旦将板装好后就无法修复或诊断，因此如果用户收到板后如果板发生故障，唯一的选择就是完全更换。

另一个缺点是导热性差。有可用的导热树脂，它们可以提供更好的散热性能，但是它们可能非常昂贵。将电路板完全封装在既不导热又不透气的物质中，会导致任何需要散发大量热量的设备因过热而失效，同时也使散热器的使用变得困难。

虽然我们讨论了与大多数人相关的电路保护方法，但PCB设计已集成在许多不同的行业中。有些应用程序可能需要更严格的保护方法，而另一些应用程序可能只需要很少的保护就可以摆脱。在下面的评论部分中告诉我们您的想法。