Conception, produits et méthodes de protection des circuits

 

31 août 2020

En raison de l’imprévisibilité relative de la technologie d’aujourd’hui, la protection des circuits est une nécessité absolue dans les conceptions qui se doivent d’être fiables. Cet article examinera la protection des circuits dans son ensemble et comment atténuer différents types de dommages.

Protection des circuits : essentielle pour les dispositifs et les composants

Pendant la conception des circuits, nous aimons souvent penser que le monde nous offre un cadre idéal, dans lequel nos sources d’énergie sont silencieuses, les condensateurs n’ont pas de résistance et les niveaux de logique montent et descendent instantanément. Le monde réel est cependant loin d’être idéal. Les sources d’énergie peuvent être très bruyantes (surtout les convertisseurs de tension CC/CC), les condensateurs ont souvent une résistance en série équivalente et les niveaux de logique font généralement preuve de toute sorte de problèmes de synchronisation.

Même si nous tenons compte de ces influences du monde réel sur les composants et les dispositifs, de nombreux concepteurs oublient habituellement de traiter un domaine : celui de la protection des circuits. Un circuit bâti à partir d’une maquette ou d’un prototype de carte de circuits imprimés peut très bien fonctionner dans des conditions de laboratoire, mais ces conditions idéales peuvent ne pas exister dans la réalité, et quiconque a déjà eu affaire à des composants sensibles à l’électricité statique sait exactement où cela mène. Les pics de tension résultat de surtensions peuvent endommager les régulateurs, alors que les décharges d’électricité statique causées par les utilisateurs peuvent détruire un microcontrôleur sans aucun avertissement. Comme les concepteurs ne peuvent jamais vraiment savoir ce que leur circuit peut subir, protéger les circuits contre autant de sources possibles d’endommagement est considéré être une bonne pratique.

Sources typiques de dommage aux circuits

Il existe de nombreuses sources de dommage potentiel, dont les principales comprennent les décharges électrostatiques, bobine  Read More d’inductance de retour et pics de tension de l’alimentation secteur.

Une décharge électrostatique est une décharge d’électricité statique. C’est de loin l’un des plus grands responsables de la détérioration des dispositifs CMOS. Une décharge d’électricité statique peut provenir d’une variété de sources différentes, mais l’une des plus communes est l’être humain. Les hommes ont l’habitude de se couvrir de vêtements et de porter des chaussures de caoutchouc pour protéger la plante de leurs pieds. Donc, pendant qu’ils se déplacent, le tissu et le caoutchouc peuvent se frotter contre la peau et autres surfaces, ce qui contribue à créer une charge statique. Lorsqu’une personne chargée d’électricité statique touche un circuit électronique, il y a un risque élevé que sa charge soit transférée au circuit, soumettant de la sorte le circuit à plusieurs milliers de volts. Alors que la quantité d’énergie passée au circuit est très minime, la haute tension peut facilement occasionner une rupture diélectrique de composants CMOS (tels les transistors, régulateurs, microcontrôleurs, etc.). D’autres technologies fondées sur des entraves et des jonctions (comme les BJT et les FET) sont moins affectées par les décharges statiques, mais le risque d’endommagement ne disparaît pas pour autant.

La bobine d’inductance de retour crée un phénomène qui survient lorsqu’un courant passant par un élément inductif (comme une bobine ou une bobine d’arrêt) change soudainement. Dans ce cas, l’énergie accumulée dans le champ magnétique doit être libérée. L’effondrement du champ magnétique a pour effet d’induire une tension (mais dans la polarité opposée à la source de tension vers l’inducteur). Cette tension induite est appelée “EMF de retour” et est très dangereuse pour les circuits sensibles comme ceux au silicium. L’EMF de retour, même depuis des petits inducteurs peut être de plusieurs centaines de volts. Des sources communes d’EMF de retour comprennent les bobines d’arrêt, les moteurs et les transformateurs.

Les surtensions du réseau d’alimentation électrique proviennent de plusieurs sources, notamment de panne d’une centrale électrique, de défaillance dans une sous-station et de la foudre. Une surtension du réseau d’électricité est l’endroit où un important pic de tension est injecté sur le réseau. Ce pic soudain peut affecter presque tous les dispositifs connectés au réseau. Un exemple classique de pics de tensions affectant le réseau, est celui des coupures de courant lors d’un orage électrique. Un éclair peut frapper un pylône, provoquant ainsi une surtension sur tout le réseau. Les sous-stations peuvent soit être endommagées par cela, à la suite de quoi le courant qu’elles fournissent est interrompu, ou elles peuvent détecter la surtension puis couper intentionnellement le courant pour prévenir les dommages aux consommateurs sur cette ligne. Des surtensions peuvent également découler du rétablissement de l’alimentation, quand une zone privée d’énergie est reconnectée soudainement au réseau.

Méthodes de protection des circuits

Nous pouvons donc constater qu’il existe de nombreuses sources potentielles de dommage, mais comment pouvons-nous protéger nos circuits de telles altérations?

Diodes Zener / Résistances de limitation en série

Les diodes Zener sont l’un des dispositifs de protection de circuits les plus communément utilisés, grâce à leur capacité de bloquer la tension. Si utilisées en mode de polarisation directe, elles bloqueront les tensions à environ 0,6 V comme n’importe quelle autre diode au silicium; contrairement à ces dernières, toutefois, lorsqu’employées en mode de polarisation inverse, elles bloqueront une tension à une valeur spécifique.

Par exemple, une diode Zener de 5V1 bloquera les tensions en mode de polarisation inverse à 5.1 V, de telle façon que si la tension aux bornes de la diode dépasse 5.1 V, cette tension ne pourra pas s’élever davantage. Ces diodes sont souvent utilisées de pair avec une résistance de limitation en série de façon que le courant traversant la diode Zener ne puisse dépasser sa limite. La résistance de limitation en série peut également protéger le circuit des pics de courant. Il faut toutefois noter que ces résistance peuvent affecter la performance de vitesse d’un circuit et sont plus adaptées aux entrées haut impédance.

 

 

 

 

 

 

Bobine d’arrêt : Bobine d’inductance

Une bobine d’arrêt est une paire particulière d’inducteurs capable de résister à des changements soudains dans le courant. Par exemple, un pic de tension provenant du réseau électrique peut réussir à pénétrer dans l’alimentation électrique d’un circuit sensible. Si une bobine d’arrêt est placée en série avec l’alimentation, le pic de tension (qui cause aussi un pic de courant I) est proportionnel à la tension, V), est réduit et le reste du circuit est moins exposé à ce pic.

 

 

 

 

 

 

 

Condensateurs de découplage

Les pics de tension et de courant ne sont pas les seuls dangers auxquels sont exposés les circuits. Une autre source de dommage vient des baisses de tension, c’est-à-dire une coupure soudaine de l’alimentation électrique de l’ordre de plusieurs centaines de millisecondes. Bien que cela ne constitue pas particulièrement un problème pour des dispositifs simples comme les ventilateurs et appareils d’éclairage, il peut considérablement nuire aux appareils reposant sur la logique numérique tels les ordinateurs, les portables et les systèmes de sécurité.

Alors que les grosses baisses de tension de plus d’une demi-seconde sont très difficiles à combattre (exigeant souvent un système d’alimentation électrique de secours auxiliaire), les défaillances courtes qui peuvent être causées par la mise en marche de certains dispositifs (un module radio par exemple) peuvent être résolues au moyen de condensateurs de découplage. Un condensateur de découplage n’est rien d’autre qu’un condensateur de grande capacité qui demeure chargé dans des conditions normales de fonctionnement, mais peut retourner son énergie dans un circuit au cours de baisses de tension afin de maintenir l’alimentation. De tels condensateurs sont souvent placés devant les circuits de tenue en puissance comme des régulateurs linéaires de tension pour microcontrôleurs. Cela assure le maintien adéquat de la tension vers le microcontrôleur (rappelez-vous que beaucoup de régulateurs peuvent accepter une large plage de tension d’entrée mais que de nombreux autres ne peuvent faire face à de grandes variations de tension). D’autres utilisations des condensateurs de découplage comprennent la protection des circuits des parasites injectés dans l’alimentation par d’autres dispositifs de commutation, notamment les convertisseurs de tension DC/DC, processeurs, senseurs, modules radio et circuits numériques à grande vitesse. Dans ces cas, la règle générale est de donner à chaque broche d’alimentation de microcontrôleur son propre condensateur de découplage intégré à l’alimentation des microcontrôleurs.

 

 

 

 

 

 

 

 

Fusible

Nombre de techniques de protection des circuits se limitent souvent aux effets extérieurs, mais il est parfois nécessaire de protéger les circuits d’eux-mêmes. Un exemple classique d’autoprotection est la protection à court terme des circuits au moyen d’un fusible. Bien que les circuits ne soient pas tous exposés à ce problème, certains modèles peuvent intégrer des circuits potentiellement capables de tirer une grande quantité de courant pendant des conditions de défaut.

Par exemple, un amplificateur symétrique peut avoir la capacité d’être connecté à des dispositifs externes mais peut aussi dépendre du fait que ce dispositif ait une impédance minimale. Dans ce cas, l’amplificateur symétrique est susceptible d’être court-circuité. Et quoiqu’il puisse être apte à gérer le courant, d’autres composants du circuit peuvent en être incapables. Dans ce scénario, il est possible d’utiliser des fusibles série avec des alimentations, des entrées et des sorties pour assurer l’impossibilité pour le circuit de consommer des quantités dangereuses de courant. Il existe plusieurs types de fusibles : les fils fusibles qui sont utiles pour les dispositifs raccordés au réseau, alors que les petits fusibles réarmables conviennent mieux aux circuits numériques tels Arduinos.

Diodes de protection

Les diodes de protection sont indispensables dans les conceptions où le retour d’induction peut se produire à partir de composants tels des bobines et des moteurs. Alors que moteurs et bobines ne risquent pas eux-mêmes de dommage, le problème se pose lorsque ces composants injectent leur tension induite (EMF) dans un circuit contenant des circuits sensibles (par exemple microcontrôleurs, transistors et capteurs). Retirer l’EMF est une tâche très facile et ne nécessite qu’une seule diode placée en parallèle du dispositif censé produire la tension induite. Il est important de noter que cela ne fonctionne que pour les réglages en c.c., puisque la diode est placée en parallèle de l’élément inductif mais en polarisation inverse de la tension d’alimentation des éléments inductifs. Lorsque l’alimentation de l’élément inductif est coupée, la tension induite traverse la diode et est gardée à l’écart des autres composants du circuit.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Produits de protection des circuits

Alors qu’il est possible d’utiliser des composants discrets pour la protection des circuits, on trouve aussi sur le marché des composants spécifiques intégrant des circuits dédiés à cette seule tâche. Examinons quelques exemples de composants utilisables pour la protection des circuits.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ensembles de matrices à diodes

Les ensembles de matrices à diodes incorporent de multiples diodes dans un ensemble unique utilisable pour un large éventail d’objectifs. L’une de leurs utilisations les plus populaires est de protéger les broches des connecteurs USB (D+ et D- par exemple) des décharges électrostatiques. Les exemples d’ensembles de matrices à diodes comprennent notamment le NZQA5V6AXV5 de ON Semiconductor, qui incorporent quatre diodes Zener avec raccordement commun, et le TPD3E001 de Texas Instruments, qui incorpore sept diodes et est conçu précisément pour la protection des ports USB et la fourniture de canaux de faible capacité.

Diodes de suppression de tension transitoire

Ces types de diode, qui visent spécialement les grandes fluctuations de tension sont utiles pour protéger les raccordements individuels de circuit ainsi que pour être utilisés comme protection de la tension induite. Un exemple de diode de suppression serait la SMAJ33A-13-F incorporée. Capable de dissiper 400 W de puissance de crête, elle a un temps de réponse rapide, et peut conduire jusqu’à 40 A de courant de crête. Un autre exemple de diode de suppression serait la 5KP100A-E3/54 de Vishay, capable de dissipation de puissance d’impulsion de crête de 5,000 W, protégeant ainsi un circuit assez longtemps pour que le fusible/disjoncteur puisse couper l’alimentation.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fusibles réarmables

Les fusibles réarmables sont des composants qui peuvent prévenir l’endommagement des circuits en cas de court-circuit. Toutefois, contrairement aux fusibles types qui doivent être remplacés lorsqu’ils sont grillés, les fusibles réarmables n’ont pas à l’être. Ces dispositifs sont généralement de type PTC (coefficient de température positive). Les fusibles réarmables s’appuient sur l’accroissement de la température lorsque le courant qui les traverse augmente. Le relèvement de la température accroît la résistance par un effet d’emballement qui, à son tour, diminue le débit du courant.

Un exemple de fusible PTC est le Littelfuse, RF4573-000. Ce fusible SMD de classe automobile est offert dans une large gamme de tension nominale et de courant nominal. Un autre exemple de fusible PTC est le 0ZRE0075FF1A de Bel. Il s’agit d’un dispositif à trou de passage, souvent destiné à des dispositifs plus puissants comme des alimentations.

 

 

 

 

 

 

Conclusion

Plusieurs mécanismes de dommages peuvent avoir une incidence sur un circuit électrique, mais une protection adéquate des composants et des solutions contribueront à améliorer la fiabilité et, par conséquent, la performance globale des appareils et dispositifs électroniques que vous concevez.

Source : https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/the-design-engineers-guide-to-circuit-protection