Hoe je te beschermen tegen spanningspieken in elektronische circuits

Het beschermen van elektronische circuits tegen spanningspieken is een cruciaal aspect van het ontwerp van betrouwbare systemen. In dit proces speelt het gebruik van specifieke componenten, zoals diodes en spanningsonderdrukkers, een belangrijke rol. Een van de meest gangbare oplossingen is het combineren van ESD- (Electrostatic Discharge) en transientspanningsonderdrukkers (TVS) diodes. Deze componenten worden vaak samen gebruikt om spanningstransiënten af te voeren en zo de gevoelige onderdelen van een circuit te beschermen. Deze beschermingscircuits worden vaak samengevoegd in geïntegreerde schakelingen (IC’s), die bekendstaan als “stuurdiode-arrays.”

Hoewel ESD vaak de oorzaak is van spanningspieken, kunnen er ook spanningspieken optreden door andere meer alledaagse bronnen. Bij het in- of uitschakelen van een inductief component, zoals een motor of transformator, kan er een plotselinge spanningspiek ontstaan. Dit gebeurt omdat de inductantie van het component een spanning genereert die de verandering in stroom tegengaat. De relatie die deze spanningspiek verklaart, is: dV = −iL dt. Dit geldt niet alleen voor discrete inductoren, maar ook voor kabels en zelfs motoren. Het schakelen van een motor, vooral bij snelheidsveranderingen, kan bijvoorbeeld een spanningspiek veroorzaken. Dit fenomeen kan worden beperkt door het gebruik van een diode, zoals een flyback-diode, die de spanningspiek afvoert en zo de apparatuur beschermt.

Naast TVS-diodes wordt er ook gebruikgemaakt van andere technieken voor het afleiden van hoge spanningen. Een van deze technieken is het gebruik van vonkgaten (spark gaps). Deze componenten kunnen op een printplaat worden geïmplementeerd door een klein gebied van de grondplaat bloot te stellen. Spark gaps kunnen echter niet als enige methode voor het reduceren van spanningspieken worden vertrouwd. Hun effectiviteit hangt af van de staat van de printplaat, de luchtvochtigheid en de mate van beschadiging door eerdere vonken. Spark gaps kunnen ook slechts spanningen tot een paar honderd volt afvoeren, wat nog steeds voldoende is om een printplaat te beschadigen.

Een andere belangrijke overweging bij spanningspieken is het voorkomen van silicon-controlled rectifier (SCR) latch-up. Dit gebeurt wanneer een SCR in een IC per ongeluk wordt geactiveerd door een te hoge spanning. SCR latch-up kan worden veroorzaakt door bijvoorbeeld een grote positieve of negatieve spanningspiek op een digitaal IC of door het toepassen van een spanning die boven de maximale waarde ligt. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren als er meerdere voedingen in een systeem aanwezig zijn en deze niet op het juiste moment worden ingeschakeld. Dit kan leiden tot een situatie waarin een IC beschadigd raakt. Er zijn verschillende manieren om latch-up te voorkomen, zoals het volgen van een juiste sequenceringsprocedure voor het inschakelen van voedingsspanning.

Hoe ontwerp je een PCB voor optimale prestaties?

Bij het ontwerpen van een printplaat (PCB) zijn er verschillende cruciale overwegingen die direct invloed hebben op de prestaties, betrouwbaarheid en het vermogen om door regulerende tests te komen. Als je deze richtlijnen volgt, kun je veel voorkomende problemen vermijden en je ontwerp verbeteren, wat leidt tot een efficiënter productieproces en minder terugkoppeling in de testfase. In deze paragraaf worden enkele belangrijke ontwerpprincipes besproken die van groot belang zijn voor het succes van een PCB.

Een van de fundamentele aspecten van een goed ontwerp is het gebruik van een grondvlak. Dit voorkomt tal van problemen en vereenvoudigt het routen van de verbindingen aanzienlijk. In plaats van een trace terug naar het grondnet te trekken, kun je simpelweg een via plaatsen. De locatie en grootte van het grondvlak hangen af van de ontwerpbeperkingen, maar ideaal gezien zou een tweelaagse PCB een grondvlak aan de onderkant moeten hebben en alles wat anders is aan de bovenkant. Als dit niet mogelijk is, zorg er dan voor dat je grondvlakken onder de kritieke IC's en netten plaatst. Het is belangrijk om niet de verleiding te weerstaan om een grondvlak volledig op te vullen en vervolgens traces door het vlak te trekken wanneer er ruimtegebrek is op de bovenlaag, want dit kan gaten in het koperen grondvlak veroorzaken, wat kan leiden tot EMC-problemen.

Een andere belangrijke richtlijn is het vermijden van het delen van grondvias tussen verschillende bypass-condensatoren, vooral in RF- en hogesnelheidscircuits. Het gebruik van een enkele via voor meerdere condensatoren voegt onnodige inductantie toe, wat de prestaties van de condensatoren vermindert door de impedantie bij hoge frequenties te verhogen. Extra vias kosten niets extra, dus het is raadzaam ze ruimhartig te gebruiken.

Bij het ontwerp van de PCB moet ook aandacht worden besteed aan flexibele componenten. Het is belangrijk om te weten dat de waarde van een weerstand verandert wanneer deze wordt gebogen. Dit kan vooral problematisch zijn bij weerstanden met een hoge tolerantiewaarde, aangezien het buigen van de PCB de weerstand buiten de specificaties kan brengen. Dit geldt ook voor condensatoren, spanningsreferenties en kleine CSP-chips. Deze componenten mogen niet in de buurt van montagengaten of randen van de PCB worden geplaatst, aangezien flexen dan waarschijnlijk onvermijdelijk is.

Inductoren moeten in rechte hoeken ten opzichte van elkaar worden geplaatst. Dit voorkomt dat de magnetische velden van de inductoren elkaar beïnvloeden. Indien nodig kunnen inductoren verder uit elkaar worden geplaatst of kunnen afgeschermde inductoren worden gebruikt om de interferentie te minimaliseren.

Voor schakelaars van Schakelende Mode Voedingssystemen (SMPS) geldt dat je niets onder een SMPS moet routen, behalve de tracés die voor de voeding van dat systeem dienen. Schakelfet's in een SMPS creëren ruis door de schakelcyclus en het schakelen zelf, wat kan leiden tot hogere frequentieruis. Dit ruis kan via ongewenste routes op de PCB de prestaties van andere circuits verstoren.

Daarnaast is het belangrijk om digitale en analoge lijnen niet dicht bij elkaar te plaatsen. Dit kan ruis en transiënten tussen de lijnen veroorzaken, vooral bij snelle stijgtijden van digitale signalen. Dit komt veel voor bij het ontwerp van ADC's, waarbij een goede scheiding van digitale en analoge lijnen essentieel is om storing te voorkomen. Zorg ervoor dat je het ontwerp volgt zoals beschreven in de datasheet van de componenten.

Het gebruik van traces voor de stroomvoorziening van analoge circuits is vaak beter dan het gebruik van een algemene powerplane, aangezien deze vaak spanningsrimpels bevat die capacitief koppelen met gevoelige analoge lijnen. Het beste ontwerp is een stack-up waarbij een grondvlak direct onder de analoge componenten wordt geplaatst en vervolgens individuele traces naar elk IC voor de voeding worden gerouteerd.

Een andere overweging is de kopergewicht van de traces. Een trace van 1 ounce koper draagt minder stroom dan een van 2 ounce koper, dus voor circuits die hoge stromen vereisen, is het verstandig om dikkere koperlagen te gebruiken.

Wanneer het om RF-circuits gaat, is het essentieel om het aantal vias te minimaliseren, aangezien vias in transmissielijnen kunnen leiden tot reflecties die verlies veroorzaken en het vermogen van de trace verminderen. Dit verlies kan worden geminimaliseerd door speciale vias te gebruiken, maar het vermijden van vias is altijd de beste keuze.

Hoe Houd je Productontwikkeling op Schema? Het Belang van Vroegtijdige Planning en Risicomanagement

Het anticiperen op vertragingen is een essentiële vaardigheid. Veel projecten – en zelfs hele bedrijven – zijn gefaald door onverwachte productievertragingen of problemen met het verkrijgen van onderdelen. Daarom is het van cruciaal belang om je componenten zo vroeg mogelijk te bestellen en altijd een back-up leverancier te hebben. Dit geldt vooral voor de zogenaamde ‘long-lead components’ – onderdelen die lange levertijden hebben. Het is verstandig om deze componenten al vroeg in het ontwerpstadium te identificeren en ze tijdig aan te schaffen. Als je gebruik maakt van ongewone PCB-materialen, moet je ervoor zorgen dat je fabricagepartner deze tijdig bestelt om vertragingen in het productieproces te voorkomen. Het is daarnaast belangrijk om rekening te houden met noodzakelijke vertragingen die gepaard gaan met productontwikkeling, zoals certificering of testen.

Een ander belangrijk moment om in je planning te verwerken is het Chinese Nieuwjaar. Als je productie in China plaatsvindt, of als je onderdelen of subsystemen uit China komen, zal je worden beïnvloed door deze feestdag. Fabrieken in China sluiten meestal twee weken in februari, en het kan tot twee weken duren voordat ze hun productievolume weer hebben opgevoerd. Dit komt deels doordat veel werknemers de gelegenheid gebruiken om een nieuwe baan te zoeken, waardoor fabrieken soms tot 25 procent van hun personeel verliezen en nieuwe werknemers moeten werven en opleiden. Het Chinese Nieuwjaar is een van de belangrijkste redenen waarom veel crowdfundingshardwareprojecten vertraging oplopen. De datum verschilt elk jaar, dus het is essentieel om dit vroeg te begrijpen en in je productieplanning in te bouwen.

Naast feestdagen zijn er ook andere factoren die vaak over het hoofd worden gezien, maar die cruciaal zijn voor een succesvolle productie. De productiecyclus bestaat uit verschillende fasen die zorgvuldig moeten worden gemanaged om vertragingen te minimaliseren. Het begint met het bouwen van een "looks-like, works-like" prototype – een voorlopige versie van het product die meestal uit 3D-geprinte behuizingen en elektronica bestaat die dicht bij de uiteindelijke versie ligt. Zodra je tevreden bent met dit prototype, kun je beginnen met het kiezen van een contractfabrikant die het ontwerp daadwerkelijk gaat bouwen.

Het proces van het creëren van gereedschappen voor de productie van onderdelen (tooling) is een ander belangrijk onderdeel van de productie. Dit kan enkele iteraties vereisen, afhankelijk van de complexiteit van het product. Zodra de eerste onderdelen uit de gereedschappen komen (de zogenaamde "first shots"), kun je engineeringmodellen beginnen te bouwen en testen.

Nadat de productvalidatie is voltooid, begint de massaproductie, waarbij meerdere assemblagelijnen opgestart worden en de focus ligt op het handhaven van een hoge productkwaliteit en het beheren van leveranciers. Tijdens deze fase kunnen er nog onverwachte problemen optreden, zoals storingen in de assemblagelijnen of kwaliteitsproblemen met de componenten, wat kan leiden tot extra vertragingen.

Bij het plannen van een productontwikkelingsproject is het dus niet alleen belangrijk om de technische aspecten goed in kaart te brengen, maar ook om een goed overzicht te hebben van het hele proces, van de sourcing van componenten tot de uiteindelijke productondersteuning. Elk van deze fasen kan onverwachte vertragingen veroorzaken, en het is essentieel om tijdig te anticiperen op deze risico's om het succes van je project te waarborgen.