Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Skydd av känslig elektronik mot överspänning kräver en helhetssyn där inte bara enskilda komponenter, utan hela arkitekturen tas i beaktande. En vanlig lösning är att använda en kombination av ESD-skydd och transienta spänningsskydd såsom Zener- eller TVS-dioder. Dessa dirigerar bort plötsliga spänningsförändringar från känsliga delar. Idag finns dessa lösningar ofta integrerade i så kallade "steering diode arrays", vilket gör implementeringen enklare men inte mindre krävande vad gäller förståelse av skyddets begränsningar.
Vid konstruktion som ska uppfylla specifika standarder är det avgörande att förstå exakt vilka ESD-krav som gäller, inte bara spänningsnivån som ska motstås. ESD-testning baseras på olika modeller: Human Body Model (HBM), Machine Model (MM) och Charged Device Model (CDM). Varje modell har sin specifika uppsättning parametrar, såsom strömtoppar och pulslängder, och kräver olika skyddsstrategier. Att förlita sig på enbart erfarenhet eller datablad är otillräckligt. Ofta krävs djup teknisk förståelse eller samarbete med organisationer som UL för att tolka standardernas praktiska implikationer.
Om ingen särskild standard krävs, kan man ändå få vägledning genom att studera IEC 61000-4-2. Denna standard erbjuder en pragmatisk ingång till att förstå vilka skyddsnivåer som kan vara lämpliga, särskilt i konsumentelektronik eller industriella tillämpningar där ESD-förhållanden kan variera kraftigt.
Men ESD är bara en källa till överspänning. Varje gång en induktiv last, såsom en spole, motor eller till och med en lång ledning, kopplas om, genereras en motspänning enligt lagarna för elektromagnetisk induktion. Spänningen som uppstår är proportionell mot förändringen i ström över tid, vilket uttrycks i dV = -L * di/dt. För att förhindra att dessa spikar skadar kringliggande komponenter används ofta så kallade "flyback"-dioder som snabbt leder bort överskottsspänningen.
TVS-dioder är en annan effektiv lösning mot kortvariga men intensiva spänningspulser. De är kapabla att reagera inom 50 pikosekunder och skydda mot spänningar upp till flera hundra volt, i vissa fall upp till 15 kV för ESD-applikationer. Men på grund av sin lilla fysiska storlek kan de inte hantera långvariga energipulser – en svaghet som måste kompenseras för genom att kombinera dem med andra skyddsmekanismer.
För högenergetiska pulser, som de som kan uppstå vid blixtnedslag, används ibland gnistgap. Ett gnistgap kan utformas direkt på ett kretskort genom att exponera små områden av jordplanet. Dessa skapar en kontrollerad urladdningsväg vid mycket höga spänningar. Dock påverkas deras prestanda starkt av miljöfaktorer som luftfuktighet, oxidation och tidigare urladdningar. Därför bör de aldrig utgöra den enda skyddsåtgärden. En mer pålitlig komponent i sådana fall är GDT (Gas Discharge Tube), som erbjuder robust skydd i förhållandevis små kapslingar och lämpar sig väl för applikationer där kraftig energiurladdning måste hanteras.
Vid indirekta blixtnedslag är det nödvändigt att se över jordsystemets utformning. En effektiv metod är att koppla chassijord direkt till jord, och binda samman alla jordpunkter via ett motstånd på 1 MΩ i parallell med en 0,1 µF-kondensator på 2 kV. Motståndet motverkar laddningsuppbyggnad, medan kondensatorn erbjuder en lågimpedansväg för snabba transienta spänningsvariationer.
Utöver fysisk överspänning finns fenomenet latch-up, som särskilt drabbar digitala integrerade kretsar. Det uppstår när man oavsiktligt skapar en intern struktur motsvarande en Silicon-Controlled Rectifier (SCR), vilket kan inträffa vid höga spänningstoppar. När en sådan struktur aktiveras, fortsätter den leda ström även efter att triggspänningen försvunnit. Detta är särskilt riskabelt i system med flera spänningsdomäner där startsekvensen inte är synkroniserad. Ett scenario är att en IC får spänning på sin ingång innan dess egna matning är aktiv, vilket kan leda till oåterkallelig latch-up – ofta först efter total strömbortkoppling.
Även ESD kan trigga latch-up. För tillämpningar i rymden eller högstrålningsmiljöer måste man även ta hänsyn till SEU (Single Event Upsets), där högenergipartiklar orsakar oavsiktliga tillstånd i halvledare. Dessa kan leda till både latch-up och bitfel i minnen. Därför används ofta rad-hard-komponenter i dessa miljöer, trots deras höga kostnad och teknologiska efterblivenhet. För att kringgå denna begränsning används ibland redundanta system med flera parallella kretsar som "röstar" om rätt utgång. På så vis kan fel isoleras, och en särskild krets kan återställas utan att påverka hela systemet.
Att förstå att varje överspänningsskydd har sina begränsningar är avgörande. Det finns ingen universallösning – varje tillämpning kräver sin egen kombination av komponenter, layoutriktlinjer och jordningsstrategier. Kompromisser mellan kostnad, prestanda och fysisk storlek är oundvikliga. Den mest effektiva designen uppnås genom att integrera skyddet som en organisk del av systemets arkitektur, snarare än som ett tillägg i slutskedet.
Hur man hanterar högfrekventa signaler och impedansmatchning i PCB-design
Vid design av kretskort som hanterar högfrekventa signaler är det avgörande att förstå hur signalens egenskaper interagerar med den fysiska strukturen på kortet. Om en signalsträcka eller funktion är en betydande del av signalens våglängd, måste noggranna beräkningar och hänsyn tas för att säkerställa signalintegritet och minimera förluster och reflektioner.
För att beräkna våglängden i ett medium, i millimeter, används formeln:
där är frekvensen i GHz och är den relativa permittiviteten för materialet. Genom att förstå våglängden kan ingenjörerna bedöma hur en signal kommer att spridas i det specifika materialet och vilka designanpassningar som kan behövas.
En av de största utmaningarna i höghastighetssystem är att dela signaler utan att skapa oönskade reflektioner som kan förstöra prestanda eller till och med skada den drivande kretsen. Detta gäller särskilt för klockor, datalinjer och RF-spår som körs över 10 MHz. Om det är nödvändigt att dela en signal ska en buffert användas för att säkerställa att signalen inte förlorar kvalitet.
Vid RF-signaler är det också viktigt att använda rätt komponenter och tillbehör. Om en RF-signal måste delas, använd en RF-splitter som är anpassad till den frekvensnivå du arbetar med. Om inte, kan detta orsaka signalförvrängning, vilket leder till att signalen blir svag eller förlorar sin precision.
Vid PCB-design måste impedansmatchning beaktas när signalen överförs över längre sträckor. Om en signal överförs på en spårsträcka längre än en femtedel av signalens våglängd i PCB-dielectricum, måste impedansen matchas för att bibehålla signalens kvalitet. Till exempel, en 1 GHz signal har en våglängd i FR-4 på cirka 150 mm, vilket innebär att varje spår längre än 30 mm måste ha noggrant kontrollerad impedans.
För att uppnå impedansmatchning på digitala kretsar kan en linje terminas med hjälp av serieresistorer eller parallellmotstånd. Serieresistorer krävs när man justerar den utgående impedansen från en drivkrets för att matcha den totala linjeimpedansen. Om linjen exempelvis ska ha en impedans på 50 Ω och drivkretsens utgångsimpedans är 15 Ω, bör en serieresistor på cirka 35 Ω användas nära drivkretsens utgång. För parallellterminering sätts en resistor nära lastens ingång för att skapa rätt matchning.
För RF-spår är impedansmatchning annorlunda. Här måste spårets dimensioner justeras för att matcha både drivkretsens utgångsimpedans och lastens ingångsimpedans. Ingen resistor behövs för detta ändamål, men noggranna beräkningar och designmetoder måste användas. En PCB-designers huvudsakliga verktyg är simuleringsprogram, såsom Keysight ADS eller gratisalternativ som OpenEMS, som tillåter att noggrant modellera och beräkna de dimensioner som behövs för att uppnå rätt impedans.
När du arbetar med RF-signaler är det särskilt viktigt att beakta att RF-spår kräver en mycket noggrannare impedanskontroll än vanliga digitala signaler. För att uppnå detta måste du samarbeta med din PCB-tillverkare för att säkerställa att de kan implementera och verifiera de specifikationer som krävs för din design. Om spårens dimensioner inte är exakt rätt kan signalintegriteten försämras kraftigt.
För enklare RF-mätningar kan du inkludera U.FL-kontakter eller andra små RF-kontakter som gör det möjligt att säkert koppla bort eller mäta en signal via en 0 Ω resistor. Detta gör det möjligt att ansluta mätinstrument som ett vektornätverksanalysator (VNA) utan att påverka den signalväg du redan har designat. Ett annat tillvägagångssätt är att använda en riktad kopplare, en komponent som gör att man kan plocka upp en svagare version av den signal som finns på transmissionen, utan att störa huvudvägen.
För att ytterligare förbättra mätningen kan en liten pi-nätverk användas nära antennanslutningen för att hantera eventuell missmatchning mellan antenn och transmission. Dessa pi-nätverk är enkla att bypassa och kan justeras för att möta olika krav på impedans utan att göra stora förändringar i den övergripande kretsen.
Vid design av kretskort som hanterar höga frekvenser måste man inte bara förstå de tekniska aspekterna av impedans och signalintegritet utan även vara beredd på att göra justeringar och anpassningar för att hantera de fysiska och tillverkningsmässiga variationerna. Det är också viktigt att förstå de verktyg och metoder som finns tillgängliga för att kontrollera och verifiera signalens kvalitet under utvecklingsprocessen.