Was ist eine TVS Diode und mit welchem Design erreichen Sie einen optimalen Transientenschutz?

Ist Ihr TVS-Dioden-Design für den Schutz vor Transienten optimiert?

Was ist eine TVS-Diode und was ist ihre Funktion?

Die Transient-Voltage-Suppression-(TVS)-Diode ist ein Bauteil, das üblicherweise für den Überspannungsschutz (Transientenschutz) verwendet wird. Sie ist nicht zu verwechseln mit der Zener-Diode oder Schottky-Diode und besteht aus einem p-n-Halbleiterübergang, der bei einer transienten Spannungsspitze leitend wird. Unter normalen Umständen erscheint sie trotz eines kleinen Leckstroms als offener Stromkreis.

Wenn die Spannung am transienten Spannungsunterdrücker über seine Schwellenspannung ansteigt, bewirkt der Lawineneffekt des Halbleiters, dass der p-n-Übergang zu einem niederohmigen Pfad wird, der den übermäßigen Strom ableitet. Die Reaktionszeit der TVS Diode ist extrem schnell und wird oft in Pikosekunden angegeben.

Überspannungsschutz früher und heute

Obwohl die Anfänge des Internets sehr lehrreich und definitiv inspirierend waren, vermisse ich die langsamen Geschwindigkeiten und endlosen technischen Probleme nicht. Damals dauerte es Ewigkeiten, Sportstatistiken abzurufen oder eine einfache E-Mail zu öffnen, ganz zu schweigen von der Gefahr, dass ein Gewitter den gesamten Computer beschädigen konnte. An stürmischen Tagen war es nicht ungewöhnlich, den Computer vom Stromnetz zu trennen und das Telefonkabel, das den Computer mit dem internen Wählmodem verband, abzuziehen. Damals war das der beste Weg, um das System vor Überspannungen zu schützen.

Für Hardware-Ingenieure bedeutet Überspannungsschutz jedoch mehr als das Abziehen einiger Kabel. Es geht darum, Überspannungsschutz-Komponenten in das PCB-Design zu integrieren und zu hoffen, dass sie die Spannung durchbrechen und die übermäßige Spannung zur Masse ableiten, bevor sie wichtige Bauteile auf der Platine beeinträchtigt. Ein für den Transientenschutz optimiertes PCB-Design kann den Unterschied zwischen einem funktionierenden TVS-Bauteil und einer durchgebrannten Platine ausmachen.

Auswahl der richtigen TVS Diode für Ihr Design

Natürlich sind nicht alle TVS-Dioden gleich aufgebaut. Wenn Sie die falsche Diode für Ihr Design wählen, kann der Transientenschutz von Anfang an unwirksam sein. Bei der TVS-Diode Auswahl einer TVS Diode sollten Sie die folgenden Parameter beachten:

• Klemmspannung (VC) - Die Klemmspannung ist die Spannung, die von der TVS-Diode im Falle einer Transiente innerhalb der Grenze des angegebenen Spitzenstroms begrenzt wird.
• Maximale Sperrspannung - Dies ist der Grenzwert, innerhalb dessen die TVS-Diode normal arbeitet. Innerhalb der Sperrspannung hat die TVS-Diode eine hohe Impedanz mit nur geringem Leckstrom.   
• Impulsverlustleistung - Die TVS-Diode muss in der Lage sein, den durch die transiente Spannung verursachten übermäßigen Strom sicher abzuleiten. Dies wird durch die Impulsverlustleistung angegeben.

Neben der TVS-Diode Auswahl wird die Wirksamkeit des Schutzes durch das PCB-Layout selbst bestimmt.

Tipps für den optimalen Einsatz von TVS-Dioden in Ihrem PCB-Design

Ein transienter Spannungsunterdrücker wird parallel zu der Schaltung geschaltet, die er schützen soll. Das folgende Schaltbild zeigt einen typischen Anschluss einer TVS-Diode an einen MAX3485 Transceiver:

Schematische Darstellung eines typischen Anschlusses einer TVS Diode.

Bei einem PCB-Layout müssen einige wichtige Richtlinien beachtet werden, um eine effiziente Funktion der TVS-Dioden zu garantieren. 

Vermeiden Sie es, sowohl die TVS-Diode als auch den Transceiver an eine ähnliche Masse anzuschließen. Dies kann dazu führen, dass die Überspannung auf die digitale Masse geleitet wird und somit Ground Bounce verursacht. Stattdessen sollte der transiente Spannungsunterdrücker mit einer niederohmigen Leiterbahn an die Gehäusemasse angeschlossen werden. Wenn dies nicht möglich ist, muss die Induktivität der einzelnen Masseebene minimiert werden, um Ground Bounce zu verhindern.

Platzieren Sie die TVS-Diode am Rande der Leiterplatte.

Platzierung der TVS-Diode mit ausreichendem Abstand zum Platinenrand

Damit der übermäßige Stoßstrom zur Gehäusemasse abgeleitet werden kann, bevor er den Transceiver beschädigt, ist auch die Platzierung der TVS-Diode wichtig. Es wird empfohlen, die TVS-Dioden so nah wie möglich am Rand der Platine zu platzieren. Die Leiterbahn der TVS Diode sollte im Vergleich zur Leiterbahn des Transceivers zudem relativ kurz sein, um die Impedanz zu minimieren und sicherzustellen, dass die übermäßige Energie des Stoßes effizient abgeleitet wird.

Leiterbahnen erzeugen parasitäre Induktivität, die dazu führen kann, dass die Klemmspannung der TVS-Diode über den spezifizierten Grenzwert steigt. Daher ist es wichtig, die parasitäre Induktivität zu minimieren, indem die Leiterbahnlänge verkürzt wird und eine mehrlagige Leiterplatte mit getrennten Masse- und Leistungsebenen gewählt wird. Zudem kann auch ein kleinerer Formfaktor der TVS Diode die parasitäre Induktivität verringern.

Mit den in Altium Designer^® integrierten Funktionen können Sie problemlos eine transiente Spannungsunterdrückungsdiode platzieren, ohne das Risiko einer parasitären Induktivität oder anderer Probleme einzugehen. Mit der Funktion "Polygon Pour" können Sie die entsprechende Masseebene erstellen, um den übermäßigen Strom effizient abzuleiten. Wenn Sie weitere Tipps zur Verwendung einer TVS-Diode für den Transientenschutz in Ihrem PCB-Design benötigen, sprechen Sie mit einem Experten von Altium Designer.