Pourquoi la protection contre les surtensions est essentielle pour votre circuit (et 3 façons de l’ajouter)

Tout ingénieur en électronique finit par apprendre cette leçon à ses dépens : vous branchez l’alimentation, un faible (ou extrêmement fort) « pop » résonne dans la pièce, et le circuit meurt instantanément.

C’est l’histoire de la surtension. C’est lorsque la tension appliquée à votre circuit dépasse ce que vos composants peuvent supporter en toute sécurité. Que ce soit à partir d’un adaptateur d’alimentation mal câblé, d’une réaction inductive ou d’une surtension provenant d’une alimentation de banc, même une pointe momentanée peut détruire les semi-conducteurs sensibles.

Dans les conceptions professionnelles, la protection contre les surtensions (OVP) n’est pas facultative, mais une partie obligatoire de l’ingénierie de la fiabilité. L’ajout d’une protection contre les surtensions à votre circuit est essentiel.  

Qu’est-ce qu’une surtension ?

Une surtension se produit chaque fois que la tension sur un nœud de circuit dépasse sa limite de fonctionnement sûre. Ça peut être :

• Surtension continue – par exemple, brancher une alimentation de 24 V dans un appareil de 12 V.

• Surtension transitoire – par exemple, une pointe de courant durant des microsecondes causée par la désactivation d’une charge inductive ou une décharge électrostatique (DES).

Les deux types peuvent être dommageables. Les surtensions continues ont tendance à surchauffer les composants et à détruire les oxydes de grille, tandis que les pointes transitoires peuvent percer les jonctions PN, causant une défaillance latente ou immédiate.

Pourquoi avez-vous besoin d’une protection contre les surtensions

1. Empêche les dommages permanents
   Les composants comme les régulateurs de tension, les circuits intégrés et les grilles MOSFET ont des valeurs nominales maximales absolues. Dépassez-les une fois, et c’est fini. Même si le composant semble toujours fonctionner, c’est une règle tacite de l’industrie qu’il doit être remplacé. Vous ne voulez pas faire vivre à votre collègue ou à votre futur vous de longues heures de débogage.

2. Améliore la fiabilité à long terme
   Même si une pointe de courant ne tue pas une pièce instantanément, elle peut la dégrader. Au fil du temps, cela provoque une dérive, une fuite ou des défaillances intermittentes, ce qui est le pire à déboguer.

3. Protège contre les erreurs de l’utilisateur
   Les ingénieurs et les clients branchent la mauvaise alimentation dans les appareils. La protection rend votre circuit « à l’épreuve des idiots » et ajoute une tranquillité d’esprit afin que vous ayez une chose de moins à vous soucier dans votre conception. L’ajout d’une protection à l’infrastructure d’essai interne et externe où l’ingénieur n’est pas la personne qui configure ou exploite les montages de CQ est essentiel, car il est impossible de tenir compte de tous les cas d’utilisation et si les opérateurs font preuve de créativité, vous ne voulez pas potentiellement être sur des appels de débogage à distance jusqu’à 3 heures du matin (ce n’est pas amusant).

4. Économise du temps et de l’argent
   Dans les conceptions coûteuses, l’ajout d’un dispositif « d’assurance » matérielle peut permettre d’économiser d’innombrables heures de travail, de l’argent et des maux de tête. Une petite augmentation du coût de la nomenclature peut éviter des milliers de pertes de cartes, de retours de garantie et de dommages à la réputation de la marque.

3 façons éprouvées d’ajouter une protection contre les surtensions

Comme décrit ci-dessus, la protection contre les surtensions est importante pour protéger vos circuits. Examinons trois des méthodes de protection les plus courantes et les plus efficaces, leur fonctionnement et leurs compromis.

0. Fusibles

Je tiens à préciser qu’un fusible seul ne protégera pas votre circuit contre les événements de surtension. Cependant, si la surtension transporte une énergie importante, elle peut provoquer un flux de courant excessif à travers le fusible, ce qui, selon le calibre de déclenchement du fusible, peut le faire sauter. Ce n’est pas un moyen fiable de s’assurer que les tensions dangereuses n’atteignent jamais vos circuits sensibles. Même les meilleurs fusibles peuvent prendre environ 100 ms pour s’ouvrir à 1,5 fois leur courant nominal. On nous pose souvent cette question.

1. Diodes TVS (suppresseurs de tension transitoire)

Comment ça marche :
Une diode TVS est comme un absorbeur de surtension électrique. Sous des tensions normales, elle repose tranquillement en polarisation inverse. Lorsque la tension dépasse sa tension de claquage, elle conduit fortement, serrant la tension à un niveau sûr et absorbant l’énergie de surtension.

Idéal pour :

• Protection contre les décharges électrostatiques et la foudre

• Environnements automobiles ou à charge inductive

• Rails d’alimentation avec transitoires de tension occasionnels

Avantages :

• Temps de réponse extrêmement rapide (picosecondes à nanosecondes)

• Le simple dispositif à deux bornes facilite l’ajout sur les rails d’alimentation ou les signaux

• Faible coût et largement disponible

• Excellent pour serrer les transitoires brefs à haute énergie

Inconvénients :

• Ne convient pas aux surtensions soutenues (il chauffera et tombera en panne)

• Doit être choisi avec soin, car la tension de serrage complète est généralement beaucoup plus élevée que la tension de fonctionnement normale nominale

• Absorption d’énergie limitée (sélectionner par valeur nominale de surtension)

Conseil de pro :
Placez toujours les diodes TVS près du connecteur d’entrée d’alimentation avec un chemin de retour à la terre à faible impédance pour maximiser l’efficacité.

2. Circuits Crowbar (Zener + SCR)

Comment ça marche :
Lorsque la tension dépasse un seuil (défini par une Zener ou une référence), le circuit crowbar déclenche le redresseur commandé au silicium (SCR) pour court-circuiter l’alimentation à la terre. Cette action « fait sauter le fusible » ou force un arrêt, protégeant ainsi les circuits en aval. C’est une méthode de protection sacrificielle mais décisive.

Idéal pour :

• Alimentations linéaires ou de laboratoire

• Circuits où l’arrêt complet est plus sûr que le fonctionnement au-dessus des limites

• Rails CC où un fusible ou un disjoncteur est déjà présent

Avantages :

• Fournit une coupure dure qui n’a pas d’ambiguïté ou de dégradation lente

• La conception analogique simple ne nécessite aucune surveillance active

• Peut gérer de grands événements de surtension soutenus (s’il est correctement fusionné)

Inconvénients :

• Action unique : le circuit reste verrouillé jusqu’à ce que l’alimentation soit coupée et, selon la conception, nécessitera le remplacement d’un fusible

• Nécessite un fusible ou une résistance de série pour limiter le courant de court-circuit

• Pas idéal pour les applications à faible puissance et à espace limité

Conseil de pro :
Associez un circuit crowbar à un fusible réarmable (PTC) ou à un circuit intégré de fusible électronique pour la réutilisabilité au lieu du remplacement physique du fusible.

3. Protection active contre les surtensions (commutateurs de charge électroniques et contrôleurs de diode idéale)

Comment ça marche :
Les circuits de protection active utilisent des circuits intégrés ou des modules dédiés qui surveillent en permanence la tension d’entrée. Lorsque la tension dépasse un seuil, le circuit intégré déconnecte la charge électroniquement. C’est généralement en éteignant un MOSFET. Beaucoup offrent également un blocage de polarité inverse et de courant inverse en utilisant des techniques de contrôle de diode idéale.

C’est ainsi que fonctionnent les modules de protection modernes comme le PN Labs Protect et le PN Labs Protect Nano : ils combinent plusieurs fonctions de protection en une seule carte compacte.

Idéal pour :

• Systèmes numériques sensibles, microcontrôleurs et appareils alimentés par batterie

• Produits qui se connectent à des adaptateurs d’alimentation externes ou à plusieurs alimentations

• Conceptions nécessitant une protection continue et réarmable sans intervention de l’utilisateur

Avantages :

• Intelligent et automatique pour se reconnecter lorsque la tension revient à des niveaux sûrs

• Gère les surtensions transitoires et continues

• Comprend souvent une protection contre l’inversion de polarité et le courant inverse

• Réutilisable sans remplacement de fusible requis

Inconvénients :

• Coût et complexité légèrement plus élevés que les solutions passives

• Les MOSFET ont une très petite chute de tension (dépend de Rds(on))

• Doit être correctement évalué pour la tension et le courant maximums attendus

Conseil de pro :
Utilisez des modules de protection active sur votre rail d’entrée d’alimentation principal et associez-les à des diodes TVS ou à des filtres en amont pour une défense complète.

Conception d’entrées d’alimentation robustes

Dans les conceptions professionnelles et de qualité production, les ingénieurs combinent souvent plusieurs couches de protection :

• Diode TVS pour un serrage rapide des surtensions

• Coupure active (comme PN Labs Protect) pour une surtension continue ou une mauvaise connexion

• Filtre d’entrée et découplage pour le contrôle du bruit et de l’ondulation

Cette défense en couches garantit que votre circuit reste à l’abri des brèves surtensions et des défauts de longue durée.

Le point essentiel

La protection contre les surtensions ne consiste pas seulement à prévenir la fumée, il s’agit de renforcer la résilience de votre conception. Qu’il s’agisse d’un projet de bricolage ou d’un produit fabriqué en série, la protection de votre entrée d’alimentation doit être un objectif de conception de premier ordre.

Si vous avez déjà remplacé un régulateur brûlé ou regardé un prototype mourir d’une mauvaise alimentation, vous le savez déjà : ce n’est pas une question de si, mais de quand. L’ajout d’une protection contre les surtensions à votre circuit est essentiel pour la fiabilité.

Vous recherchez une solution prête à l’emploi ?

Si vous voulez une protection contre les surtensions prête à l’emploi avec blocage de polarité inverse et de courant inverse intégré, consultez le PN Labs Protect ou Protect Nano.