TL;DR: короткое замыкание по питанию способно убить все микросхемы на плате выбросом напряжения. Виновата самоиндукция в проводах и глупые источники питания.

Что происходит при коротком замыкании

Начальные условия

Плата питается от лабораторного источника (ЛБП), на котором установлено напряжение 5 В и ограничение тока 1 А. Штатный ток потребления платы около 100 мА. В даташите на используемые микросхемы указано максимальное рекомендуемое напряжение питания 5.5 В, и absolute maximum rating 6.5 В. Инженер проводит измерения с помощью осциллографа и нескольких пассивных пробников 1:10, один из которых подключается к земле платы пружинкой. Пружинка соскальзывает и касается контакта питания ближайшего конденсатора.

События после касания

Пружинка образует короткое замыкание: она соединена с землёй осциллографа, которая, в свою очередь, соединена с землёй платы через крокодилы от других пробников. Через эту цепь начинают разряжаться конденсаторы, установленные по питанию на тестовой плате. Также растёт ток через провод питания, которым плата соединена с ЛБП. Напряжение питания на плате снижается.

Пока выходные конденсаторы блока питания не разрядятся (и пока на нём не сработает токовая защита), этот ток и скорость его нарастания будут ограничены исключительно паразитными характеристиками:

• паразитная индуктивность и сопротивление провода питания между источником и платой,
• паразитная индуктивность и сопротивление в цепи, образующей короткое замыкание (щуп – осциллограф – другой щуп)
• паразитная индуктивность и сопротивление выходных конденсаторов источника.

Пока ничего не сгорело.

Устойчивое состояние

Если короткое замыкание длится долго (скажем, более 100 мс), установится стабильный режим. После разряда выходных конденсаторов источника и срабатывания защиты ток снижается до уровня заданного ограничения (в нашем случае – 1 А). Источник работает в режиме постоянного тока; напряжение питания на плате близко к нулю и равно падению напряжения на паразитном сопротивлении цепи, образующей короткое замыкание.

Пока ничего не сгорело.

Контакт пропал

Пружинка соскользнула с контакта питания. За очень короткое время резко растёт сопротивление в цепи короткого замыкания (от долей ома до мегаом), что приводит к не менее резкому снижению тока. На проводе питания, соединяющем плату и ЛБП, возникает ЭДС самоиндукции (U = -L*dI/dT), где L – паразитная индуктивность провода. Напряжение питания на плате резко растёт (за счёт ЭДС самоиндукции), и рост продолжается до тех пор, пока вся запасённая в виде магнитного поля энергия не будет израсходована. Часть перейдёт в тепло, часть будет запасена в конденсаторах на печатной плате (которые были разряжены), часть будет потреблена самой платой (штатная нагрузка). Если в активную нагрузку, то есть в тепло, энергии ушло мало, начнутся колебания.

Это и есть наиболее опасная часть короткого замыкания – момент, когда оно прекращается.
Выброс напряжения может оказаться вдвое больше штатного напряжения питания, и микросхемы могут погибнуть. Величина выброса будет расти вместе с индуктивностью провода и током, протекавшим через него в момент прекращения КЗ.

Особенность краткосрочного КЗ

Если длительность короткого замыкания была очень маленькой, устойчивое состояние не будет достигнуто. В первые микросекунды КЗ ток ограничивается только паразитными характеристиками и может достигать очень больших величин. Если КЗ будет прекращено во время протекания этого тока, возникшая ЭДС самоиндукции также будет значительно выше. А если при этом конденсаторы на печатной плате не успели разрядиться, ЭДС самоиндукции будет “прибавлено” к напряжению на плате (которое при длительном КЗ близко к нулю).

Подарок от блока питания

В импульсных лабораторных источниках питания энергия запасается ещё и в катушке индуктивности встроенного в ЛБП преобразователя. При почти мгновенном снижении нагрузки после прекращения КЗ эта энергия перейдёт из магнитного поля катушки в электрическое поле выходного конденсатора и приведёт к росту выходного напряжения ЛБП. Если внутри источника нет дополнительного механизма ограничения перенапряжения на выходе, с большой вероятностью плата будет убита. Иногда это относится и к линейным ЛБП

Измерения

Лабораторный источник питания: импульсный Manson NRP-2050, также известный как АКИП-1101. Подключен к тестовой плате штатными проводами длиной около 1 метра, настроен на 5 В / 1 А.
Тестовая плата: установлена ёмкость 50 мкФ по питанию (керамические конденсаторы 0402 X5R), полезной нагрузки нет. Напряжение измеряется на полигоне питания в 7 мм от ближайшего конденсатора.

Из-за случайной природы механического контакта при коротком замыкании повторяемость результатов довольно низкая. Тем не менее, оценить возможные последствия для реального устройства в похожей ситуации возможно.

Короткие выбросы: самоиндукция в проводах

В этих примерах продолжительность короткого замыкания маленькая, от 10 до 100 мкс.

Если ёмкость на плате значительно меньше, колебания переходят в высокочастотную область, а их амплитуда растёт. Ниже представлены аналогичные осциллограммы для случая, когда ёмкость на плате равна 0.47 мкФ, шкала 500 нс.

Длинные выбросы: подарок блока питания

Напряжение на выходе лабораторного источника достигает 7 В, и длится этот выброс больше секунды. Гарантированная смерть для микросхем на плате.

Выводы

Само по себе короткое замыкание (питания на землю) не убивает компоненты, а вот его прекращение может.

Паразитная индуктивность проводов может привести к большим выбросам напряжения при коротком замыкании, отключении разъема питания или любом другом событии с резким снижением тока. Это стоит учитывать при проектировании входной защиты, особенно если применение предполагает горячее подключение и отключение. До некоторой степени этот выброс можно подавить конденсаторами, в некоторых случаях имеет смысл RC-снаббер или резистивная нагрузка (dummy load), также существуют специальные микросхемы защиты от перенапряжения. Для защиты от коротких импульсов можно применять TVS.

Многие лабораторные блоки питания плохо себя ведут в ситуациях короткого замыкания. Проведите измерения со своим источником, чтобы понять, что можно ожидать.