Conception, produits et méthodes de protection des circuits

La protection des circuits : une étape cruciale pour les appareils et les composants

Lorsque nous concevons des circuits, nous aimons souvent penser que le monde nous fournit un cadre idéal dans lequel les sources d'énergie ne font pas de bruit, les condensateurs ne créent pas de résistance et les niveaux logiques s'élèvent et s'abaissent instantanément. Malheureusement, le monde réel est loin d'être idéal. Les sources d'énergie peuvent être très bruyantes (surtout les convertisseurs CC/CC), les condensateurs présentent souvent une résistance de série équivalente et les niveaux logiques connaissent toutes sortes de problèmes de synchronisation.

Même si nous tenons compte de l'influence du monde réel sur les composants du dispositif, il reste un domaine que de nombreux concepteurs oublient en général de traiter : la protection des circuits. Un circuit créé sur une platine expérimentale ou un prototype de PCB pourra parfaitement fonctionner dans des conditions de laboratoire, mais le monde réel n'offre pas nécessairement ces conditions idéales et quiconque a déjà eu affaire à des composants sensibles à l'électricité statique sait exactement de quoi je parle. Les pics de tension provoqués par les surtensions peuvent endommager les régulateurs et les chocs statiques causés par les utilisateurs peuvent détruire un microcontrôleur sans prévenir. Puisque les concepteurs ne peuvent jamais trop savoir ce que leurs circuits risquent de subir, on juge souvent préférable de protéger les circuits contre le plus grand nombre possible de sources de dommages.

Sources types de dégâts pour les circuits

Bien qu'il existe de nombreuses sources de dégâts potentiels, les principales sont les décharges électrostatiques, les flybacks d'inductance et les surtensions secteur.

La décharge électrostatique est une décharge statique. C'est de loin l'un des principaux fléaux pour les dispositifs avec CMOS. Les décharges statiques peuvent provenir d'une variété de sources différentes, mais les êtres humains sont l'une des plus courantes. Ils ont en effet l'habitude de revêtir leur corps de tissus et de fixer du caoutchouc à leurs semelles. À mesure qu'ils se déplacent, le tissu et le caoutchouc peuvent frotter contre leur peau et d'autres surfaces, ce qui entraîne une accumulation d'électricité statique. Lorsqu'une personne chargée d'électricité statique touche un circuit électronique, il existe un risque considérable que cette charge électrique soit transférée au circuit, lequel recevra alors plusieurs milliers de volts. Bien que la quantité d'énergie transférée soit très faible, la tension élevée peut facilement provoquer une panne diélectrique des composants à MOS (comme les transistors, les régulateurs, les microcontrôleurs, etc.). D'autres technologies basées sur les barrières et les jonctions (telles que les BJT et les FET) sont moins affectées par les chocs statiques, mais elles risquent tout de même d'être endommagées.

Le flyback d'inductance est un phénomène qui se produit lorsqu'un courant traversant un élément inductif (comme une bobine ou un bobine d'arrêt) est subitement modifié. Lorsque cela se produit, l'énergie stockée dans le champ magnétique doit être libérée. L'effondrement du champ magnétique entraîne l'induction d'une tension (mais de polarité opposée à la source de tension de l'inductance). La tension induite, appelée « force électromagnétique arrière ou back EMF », est très dangereuse pour les circuits sensibles, comme ceux en silicium. La back EMF peut atteindre plusieurs centaines de volts, même pour de petites inductances. Les sources fréquentes de ce phénomène sont les bobines d'arrêt, les moteurs et les transformateurs.

Les surtensions dues au réseau d'alimentation électrique du secteur proviennent de plusieurs sources, dont les pannes de centrales électriques ou de sous-station et les orages. Ce type de surtension apparaît lorsque un fort pic de tension est injecté dans le réseau électrique. Il peut toucher la quasi-totalité des appareils connectés au réseau. Les coupures d'électricité qui surviennent pendant un orage électrique en sont un exemple classique. Un éclair peut frapper un pylône, ce qui provoque une surtension dans tout le réseau. Les sous-stations peuvent être endommagées par ce pic, auquel cas l'électricité qu'elles fournissent est coupée. Elles peuvent aussi détecter la surtension et interrompre volontairement l'alimentation pour éviter que les consommateurs ne subissent des dégâts en aval. Ces pics peuvent également se produire lors de la reconnexion de l'alimentation lorsqu'une zone qui n'était plus alimentée est soudain reconnectée au réseau.

Méthodes de protection des circuits

Nous pouvons donc voir qu'il existe plusieurs sources de dommages éventuels, mais comment pouvons-nous en protéger nos circuits ?

Diodes Zener/résistances de limitation en série

diodes Zener sont l'un des dispositifs de protection des circuits les plus couramment utilisés grâce à leur fonctionnalité de tension de blocage. Lorsqu'elles sont polarisées en sens passant, elles bloquent les tensions à 0,6 V comme n'importe quelle autre diode en silicium. Toutefois, contrairement à celles-ci, lorsqu'elles sont polarisées en sens inverse, elles les bloquent à une valeur spécifique.

Par exemple, une diode Zener 5V1 bloquera les tensions à 5,1 V en mode de polarisation inverse. Si la tension qui la traverse excède 5,1 V, elle ne pourra donc pas aller plus haut. Ces diodes sont souvent utilisées en conjonction avec une résistance de limitation en série de façon à ce que le courant traversant la diode Zener ne puisse excéder sa limite. Les résistances de limitation en série peuvent également protéger les circuits contre les surintensités. On notera toutefois qu'elles peuvent nuire à la vitesse de ces circuits et sont plus indiquées pour les entrées à haute impédance.

Bobine d'arrêt : inductance

Une bobine d'arrêt est une paire d'inductances spécifique capable de résister à des changements soudains du courant. Par exemple, une surtension provenant du réseau électrique peut réussir à pénétrer dans l'entrée d'alimentation d'un circuit sensible. Si une bobine d'arrêt est placée en série avec cette entrée d'alimentation, la surtension (qui provoquera également une surintensité, I, proportionnelle à la tension, V) est réduite et le reste du circuit y est moins exposé.

Condensateurs de découplage

Les surtensions et les surintensités ne sont pas les seuls dangers qui menacent les circuits. Les baisses de tension, qui sont des défaillances subites de l'alimentation électrique et peuvent durer plusieurs centaines de millisecondes, sont une autre source de dégâts. Bien qu'elles ne posent pas de problèmes particuliers pour des dispositifs simples comme les ventilateurs ou les systèmes d'éclairage, elles peuvent être très dommageables pour ceux qui reposent sur une logique numérique, tels que les ordinateurs fixes ou portables et les systèmes de sécurité.

Bien que les fortes baisses de tension qui durent plus d'une demi-seconde soient très difficiles à combattre (nécessitant souvent une deuxième alimentation électrique de secours), les plus courtes, qui peuvent être provoquées par la mise sous tension d'appareils (tels que des modules radio) peuvent être résolues à l'aide de condensateurs de découplage. Un condensateur de découplage n'est rien d'autre qu'un condensateur de valeur élevée qui reste chargé en fonctionnement normal, mais peut réinjecter l'énergie dans un circuit lors d'une baisse de tension pour conserver la tension d'alimentation. Ces condensateurs sont souvent placés avant des circuits de gestion de l'alimentation comme les régulateurs linéaires pour les microcontrôleurs. Cela permet de conserver une tension correcte au niveau du microcontrôleur (rappelez-vous qu'un grand nombre de régulateurs peuvent accepter une large plage de tensions d'entrée, mais que de nombreux microcontrôleurs ne peuvent pas gérer de larges écarts de tension). Les condensateurs de découplage peuvent également être utilisés pour protéger les circuits contre le bruit injecté dans l'alimentation électrique par d'autres dispositifs de commutation, comme les convertisseurs CC, les processeurs, les capteurs, les modules radio et les circuits numériques à haute vitesse. Dans ce type de cas, il sera bon d'accorder à chaque broche d'alimentation d'un microcontrôleur son propre condensateur de découplage dédié, installé sur l'alimentation des microcontrôleurs.

Fusible

Un grand nombre de techniques de protection des circuits s'attachent aux effets extérieurs, mais les circuits ont parfois besoin d'être protégés contre eux-mêmes. Un exemple classique d'autoprotection est la protection contre les courts-circuits à l'aide d'un fusible. Bien que tous les circuits ne souffrent pas de ce problème, certaines conceptions peuvent intégrer des circuits capables d'attirer de grandes quantités de courant en cas de défaillance.

Par exemple, un amplificateur push-pull pourra être connecté à des dispositifs externes, mais il pourra également exiger de ces dispositifs qu'ils possèdent une impédance minimale. Dans cette situation, le push-pull est vulnérable aux risques de court-circuit. Même si l'amplificateur est capable de gérer le courant, ce n'est peut-être pas le cas pour d'autres composants du circuit. Dans ce scénario, des fusibles peuvent être utilisés en série avec les alimentations électriques, les entrées et les sorties, afin que le circuit ne puisse pas attirer des quantités de courant dangereuses. Il existe de nombreux types de fusibles, les fils fusibles étant utiles pour les dispositifs alimentés par le secteur et les petits fusibles réarmables étant plus adaptés aux circuits numériques comme les Arduino.

Diodes de protection

diodes de protection sont cruciales dans les conceptions où des composants comme les bobines ou les moteurs peuvent faire courir des risques de flyback. Bien que les moteurs et les bobines eux-mêmes ne risquent pas d'être endommagés, le problème se pose lorsque ces composants injectent leur force contre-électromagnétique (ou back EMF) dans un circuit contenant des éléments sensibles comme les microcontrôleurs, les transistors ou les capteurs. La suppression des back EMF est très facile et ne nécessite qu'une seule diode placée en parallèle avec le dispositif susceptible de les produire. Il est important de noter que cela ne fonctionne qu'avec les configurations CC puisque la diode est placée en parallèle avec l'élément inductif, mais avec une polarité inverse par rapport à la tension reçue par celui-ci. Lorsque l'alimentation de l'élément inductif est désactivée, la back EMF traverse la diode, ce qui l'éloigne des autres composants du circuit.

Produits de protection des circuits

Bien que des composants discrets puissent être utilisés pour protéger les circuits, on trouve également sur le marché des composants spécifiques qui intègrent des circuits dédiés à ce type de tâche. Voyons quelques exemples de composants utilisables pour la protection des circuits.

Modules de matrices de diode

Les modules de matrices de diode contiennent plusieurs diodes en un seul module et peuvent être utilisés pour une large gamme d'applications. L'un des usages les plus courants consiste à protéger les broches des connecteurs USB (D+ et D-, par exemple) des décharges électrostatiques externes. Il peut s'agir, par exemple, du modèle NZQA5V6AXV5 d'onsemi, qui intègre quatre diodes Zener avec une connexion commune, ou du TPD3E001 de Texas Instruments, qui en intègre sept et qui a été spécifiquement conçu pour protéger les ports USB et pour offrir des canaux de faible capacité.

Diodes de suppression de tensions transitoires

Ces types de diode sont spécifiquement conçus pour protéger contre les larges variations de tension et se révèlent utiles pour protéger les connexions individuelles des circuits. Ils peuvent aussi servir de fusibles contre les back EMF. Un bon exemple sera le modèle SMAJ33A-13-F de Diodes Incorporated, qui peut dissiper 400 W de puissance de crête, offre un temps de réponse rapide et peut conduire jusqu'à 40 A de courant de crête. On pourra aussi citer le 5KP100A-E3/54 de Vishay, capable de dissiper 5 000 W de courant d'impulsion de crête et donc de protéger un circuit suffisamment longtemps pour que le fusible ou le disjoncteur principal puisse déconnecter l'alimentation.

Fusibles réarmables

Les fusibles réarmables sont des composants capables de protéger les circuits en cas de court-circuit. Ils fonctionnent toutefois à l'inverse des fusibles types qui, lorsqu'ils ont sauté, doivent être remplacés. Les fusibles réarmables n'en ont pas besoin. Ces dispositifs sont en général du type PTC, qui signifie coefficient de température positif. Les fusibles réarmables détectent l'élévation de leur température à mesure que le courant qui les traverse augmente. Cette hausse de température augmente la résistance dans un effet d'emballement qui, en retour, réduit le courant susceptible de passer.

Parmi les fusibles PTC du commerce, on peut citer le RF4573-000 de Littelfuse. Ce fusible SMD de qualité automobile existe dans une large gamme de tensions et de courants nominaux. Le 0ZRE0075FF1A de Bel est un autre exemple de fusible PTC. Il s'agit d'un dispositif à un montage par insertion destiné à des appareils plus puissants, tels que les alimentations électriques.

Conclusion

Bien qu'il existe plusieurs mécanismes par lesquels des anomalies électriques peuvent endommager un circuit, il est toujours possible d'améliorer la fiabilité des systèmes en intégrant des solutions et des composants de protection des circuits adaptés. Les performances globales des composants électroniques et des appareils que vous concevez en seront améliorées.