如何增強PCB電路的浪涌保護性能？

點擊上方藍色字體，關注我們

提升PCB電路的浪涌防護能力需要綜合考慮元器件選擇、電路設計、布局優(yōu)化以及有效的保護器件。

合理的浪涌防護設計能夠在實際應用中有效保護電路免受突發(fā)浪涌電壓或電流的影響，保障電路的穩(wěn)定性與可靠性。

1

浪涌防護器件的選型與布局

TVS（Transient Voltage Suppression）二極管是一種常用的浪涌保護器件，它能夠在浪涌電壓發(fā)生時迅速導通并將過電壓鉗制到安全范圍。

為了提高保護效果，通常在PCB設計時，應將TVS二極管接入敏感元件前端（如電源輸入端口）并盡量靠近源頭。

常見的TVS二極管有瞬態(tài)抑制二極管（SMD）和壓敏電阻（MOV）等。

MOV是一種電壓隨電壓變化的材料，當電壓超過設定閾值時，MOV的電阻迅速降低，可以將浪涌能量分散到地。MOV適合用于高能量的浪涌保護。

為了確保防護效果，需要根據電源的輸入電壓選擇合適的MOV，并將其放置在電源入口的電路中。

GDT是一種可承受高能量浪涌的保護元件，適用于需要承受強烈浪涌的電路。

GDT工作時，電壓超過一定值后，它的電導率急劇增加，可以有效地將浪涌能量導入地線。

抑制電感（共模電感）和濾波器：高頻浪涌信號可以通過共模電感和濾波器進行抑制。

這些組件能夠阻止高頻噪聲和浪涌進入電路的敏感部分，尤其是在電源輸入端和數字信號線的傳輸線上。

2

電路設計優(yōu)化

設計時應盡量減少電流經過敏感區(qū)域的路徑，尤其是在輸入端口和負載之間。

長且未加保護的導線可能成為浪涌傳播的通道，增加浪涌影響的面積。

短路徑設計和合理的走線布線有助于減小電流的路徑與傳輸延遲，從而降低浪涌的影響。

良好的接地設計是浪涌防護的關鍵。地線設計要保證電流的快速導流，并減少接地電阻，避免浪涌電流反向通過敏感電路。

要盡量減少地線的長度和阻抗，確保高頻信號能夠快速回流到地線，避免產生噪聲或地回路。

在電源輸入端，添加濾波電容器、共模電感和差模電感等組件，可以有效降低浪涌對電源的沖擊。

此外，設計時可選擇加大輸入電容，或選擇低ESR（等效串聯電阻）的電容器來提升浪涌的抑制能力。

3

電氣隔離

在敏感電路與外部環(huán)境（如電源、通信端口）之間增加光耦合器（Optocoupler）可以有效實現電氣隔離。

光耦能夠隔離輸入端與輸出端的浪涌或瞬時電壓，同時減少信號干擾。

對于電源設計，特別是需要接入高壓電源的設備，使用隔離變壓器可以有效隔離輸入與輸出，防止浪涌電流傳入到電路的低壓側。

4

物理布局與板層設計

在PCB設計中，布局需要考慮浪涌電流的流向和路徑。

設計時應使浪涌電流的回流路徑最短且阻抗最小，避免長導線形成電感負載。

應將浪涌保護元器件盡量放置在靠近輸入端的位置，保證其能在浪涌發(fā)生時快速響應。

在多層板中，可以利用內部電源層和接地層來降低電磁干擾，減少信號的輻射和接收。

同時，這些內層的電源和地層為浪涌電流提供了一個低阻抗的路徑，有助于加速浪涌電流的導流。

設計時需要注意電磁兼容性（EMC），包括適當的電源去耦、噪聲濾波、接地設計等。

通過減少噪聲和電磁輻射，能夠在一定程度上提高PCB對浪涌的抗干擾能力。

5

元器件選擇與保護電路

選擇抗浪涌能力強的元器件：使用抗浪涌能力強的元器件，如具有高抗電壓特性的電阻、電容、晶體管等，能夠在浪涌事件發(fā)生時降低元器件損傷的風險。

特別是在使用高頻器件時，選擇具有過電壓保護特性的元器件至關重要。

設計過電壓保護電路時，可以采用并聯電壓抑制元件（如二極管、TVS等）與串聯電流限流元件（如電阻、保險絲等）的組合方案。

這樣，在浪涌發(fā)生時，TVS二極管會迅速導通并將電壓鉗制在安全范圍內，而保險絲則可在過大的浪涌電流下切斷電源，防止元器件損壞。

6

測試與驗證

浪涌測試：對PCB進行浪涌測試，驗證其抗浪涌能力，確保設計的保護電路和元器件能夠在實際浪涌事件中正常工作。

測試標準可以參考IEC 61000-4-5（浪涌抗擾度測試），并根據不同設備的要求進行針對性的測試。

在設計過程中，利用仿真工具（如SPICE仿真、EMC仿真等）進行浪涌防護設計的驗證。

通過仿真分析可以提前識別潛在的浪涌問題，并對設計進行優(yōu)化調整。

點擊閱讀原文，更精彩~