การออกแบบการป้องกันระดับระบบสำหรับอินพุตไฟ DC ในการออกแบบวงจรฮาร์ดแวร์

ในการออกแบบวงจรฮาร์ดแวร์ การป้องกันสำหรับขั้วต่ออินพุตไฟ DC มักจะถูกทำให้ง่ายขึ้นเป็นแนวคิดด้านเดียวของ "การติดตั้งฟิวส์หนึ่งตัวเป็นอนุกรม" อย่างไรก็ตาม ประสบการณ์ด้านวิศวกรรมเชิงปฏิบัติแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์จำนวนมากทำงานได้ตามปกติภายใต้สภาพห้องปฏิบัติการ แต่บ่อยครั้งที่ต้องรีบูทหรือใช้งานไม่ได้เมื่อใช้งานในสถานที่จริง สาเหตุที่แท้จริงอยู่ที่การขาดการออกแบบที่มีการประสานงานอย่างเป็นระบบสำหรับการป้องกันส่วนหน้า การป้องกันอินพุตของแท้ไม่ใช่การรวมส่วนประกอบที่แยกออกจากกันอย่างง่ายๆ แต่ควรสร้างระบบการป้องกันร่วมมือแบบหลายกลไกหลายระดับเพื่อจัดการกับสภาพการทำงานที่ผิดปกติต่างๆ ด้วยกลยุทธ์การป้องกันแบบหลายชั้น

1. การเลือกฟิวส์: ข้อจำกัดสองประการของค่าI²tและความสามารถในการทำลาย

การเลือกฟิวส์เป็นมากกว่าการตรวจสอบกระแสไฟที่กำหนดเท่านั้น ทั้งพลังงานที่ทนต่อความสามารถและขีดจำกัดต้องได้รับการประเมินอย่างครอบคลุม

ค่า I²t (อินทิกรัลจูล): พารามิเตอร์นี้กำหนดเกณฑ์พลังงานความร้อนที่จำเป็นสำหรับการเป่าฟิวส์ ในระหว่างการเปิดโหลดแบบคาปาซิทีฟหรือการสตาร์ทมอเตอร์ กระแสไฟกระชากแอมพลิจูดสูงเกิดขึ้นในวงจร หากพิกัด I²t ของฟิวส์ต่ำกว่าพลังงานไฟกระชากแบบไม่ทำลาย เกิดการสะดุดสะดุด ในระหว่างการเลือกส่วนประกอบ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าค่าฟิวส์ I²t เกินพลังงานไฟกระชากจริง และแนะนำให้ใช้ค่าเผื่อด้านความปลอดภัยในการลดพิกัด 20%-25%

ความสามารถในการตัดกระแสไฟ: ในข้อผิดพลาดการลัดวงจรอย่างรุนแรง เมื่อกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเกินขีดจำกัดการตัดที่ปลอดภัยของฟิวส์ อาจเกิดประกายไฟต่อเนื่องหรือแม้กระทั่งอันตรายจากไฟไหม้ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับชุดแบตเตอรี่หรือระบบจ่ายไฟที่มีความต้านทานภายในต่ำ ต้องใช้ฟิวส์ที่มีความสามารถในการตัดกระแสสูง (เช่น ซีรีส์ Class T ที่มีความสามารถในการตัดกระแสไฟ 200kA ที่ 125V DC) ห้ามใช้ฟิวส์หลอดแก้วธรรมดาในสถานการณ์กระแสไฟฟ้าแรงสูงดังกล่าว

2. การเลือกไดโอด TVS: ข้อผิดพลาดที่ซ่อนอยู่ของแรงดันไฟฟ้าในการหนีบ

ไดโอด TVS ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อลดผลกระทบชั่วคราว เช่น ESD และ EFT อย่างไรก็ตาม ผู้ออกแบบมักจะตกหลุมพรางในการเลือกพารามิเตอร์ วิศวกรจำนวนมากมุ่งเน้นไปที่แรงดันไฟฟ้าย้อนกลับ (Vrwm) เท่านั้น โดยถือว่าค่าที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าในการทำงานก็เพียงพอแล้ว เมื่อไฟกระชากมาถึง TVS จะเปิดและจับแรงดันไฟฟ้าเข้ากับแรงดันไฟฟ้าหนีบ Vc หาก Vc นี้เกินแรงดันไฟฟ้าพิกัดสูงสุดที่แน่นอนของชิปที่ได้รับการป้องกันที่ระยะด้านหลัง ชิปยังคงมีความเสี่ยงที่จะเสียหาย ดังนั้น ภายใต้สภาวะกระแสพัลส์พีคสูงสุด จะต้องเปรียบเทียบ TVS Vc กับขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าทนของวงจรต่อๆ ไปอย่างเคร่งครัดโดยสงวนระยะความปลอดภัยไว้เพียงพอ

3. สถาปัตยกรรมการคุ้มครองสหกรณ์หลายระดับ

อุปกรณ์ป้องกันตัวเดียวไม่สามารถครอบคลุมภัยคุกคามแบบเต็มแบนด์ได้ตั้งแต่ไฟกระชากฟ้าผ่าไปจนถึงการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต การป้องกันระดับอุตสาหกรรมต้องใช้กลยุทธ์การป้องกันแบบหลายชั้น

ขั้นแรก: การป้องกันเบื้องต้น (ชั้นคายพลังงาน) ท่อระบายแก๊ส (GDT) หรือวาริสเตอร์ของโลหะออกไซด์ (MOV) มักใช้เพื่อกระจายไฟกระชากพลังงานสูงจำนวนหลายพันแอมแปร์ที่เกิดจากฟ้าผ่า ส่วนประกอบเหล่านี้มีความเร็วตอบสนองค่อนข้างช้าและมีแรงดันตกค้างสูง

ขั้นตอนที่สอง: บัฟเฟอร์การแยกตัว (ชั้นแยก) สร้างโดยตัวต้านทานหรือตัวเหนี่ยวนำ โดยทำหน้าที่เป็นจุดเชื่อมต่อหลักสำหรับการป้องกันแบบประสานงาน ส่วนประกอบอิมพีแดนซ์ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตกและการหน่วงเวลาเพื่อชะลออัตราการเพิ่มขอบของไฟกระชาก และจำกัดพลังงานชั่วคราวที่ไหลไปยังวงจรด้านหลัง ป้องกันความล้มเหลวของส่วนประกอบได้อย่างมีประสิทธิภาพที่เกิดจากเวลาตอบสนองไม่ตรงกันระหว่างอุปกรณ์ส่วนหน้าและส่วนหลัง

ขั้นตอนที่สาม: การป้องกันอย่างละเอียด (ชั้นจำกัดแรงดันไฟฟ้า) ไดโอด TVS ที่มีการตอบสนองระดับพิโควินาทีจะจับยึดแรงดันไฟฟ้าตกค้างภายในช่วงที่ปลอดภัยอย่างแม่นยำ ให้การป้องกันขั้นสุดท้ายสำหรับ IC ส่วนท้ายที่มีความละเอียดอ่อน

4. โครงร่าง PCB: ประสิทธิภาพการป้องกันลดลงตามพารามิเตอร์ปรสิต

ประสิทธิภาพของส่วนประกอบป้องกันขึ้นอยู่กับโครงร่าง PCB เป็นอย่างมาก การเหนี่ยวนำของปรสิตมักจะชดเชยประสิทธิภาพของส่วนประกอบที่ระบุ ตามกฎหมายการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า V = L·(di/dt) ไฟกระชากกระแสสูงที่สูงชันจะสร้างแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำย้อนกลับที่มีนัยสำคัญจากการเหนี่ยวนำปรสิตบนหมุดส่วนประกอบและร่องรอยการต่อสายดิน เมื่อวางทับด้วยแรงดันไฟหนีบ จะเป็นอันตรายต่อวงจรที่ตามมา ดังนั้นหมุดกราวด์ของอุปกรณ์ป้องกันควรเชื่อมต่อโดยตรงกับระนาบกราวด์อ้างอิงโดยมีร่องรอยที่สั้นที่สุดและกว้างที่สุด ควรหลีกเลี่ยงการกำหนดเส้นทางผ่านจุดแวะ นอกจากนี้ อุปกรณ์ป้องกันทั้งหมดจะต้องวางใกล้กับขั้วต่ออินพุตพลังงาน ดังนั้นไฟกระชากสามารถกระจายไปได้ทันทีเมื่อมีการบุกรุก ป้องกันไม่ให้ไฟกระชากแพร่กระจายเป็นระยะทางไกลภายในชั้น PCB และเชื่อมต่อเข้ากับร่องรอยสัญญาณที่มีความละเอียดอ่อนที่อยู่ติดกัน

การป้องกันวงจรอินพุต DC เป็นระบบระเบียบที่ครอบคลุมคุณสมบัติของวัสดุ ประสิทธิภาพเชิงความร้อน และความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ผู้ออกแบบจะต้องระบุสภาวะการทำงานที่รุนแรงที่อุปกรณ์ต้องเผชิญอย่างถูกต้อง จับคู่ขอบเขตพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของส่วนประกอบแต่ละขั้นตอนอย่างเหมาะสม และลดผลกระทบจากปรสิตผ่านโครงร่าง PCB ที่เข้มงวด การวางแผนล่วงหน้าอย่างเป็นระบบและการตรวจสอบยืนยันที่เพียงพอเป็นรากฐานสำหรับการปฏิบัติงานในสถานที่ที่เชื่อถือได้ตลอดวงจรชีวิตผลิตภัณฑ์ทั้งหมด