Directrices de diseño de PCB para utilizar el diodo TVS como protección contra transitorios

Para los ingenieros de hardware, la protección contra sobretensiones va mucho más allá de elegir una regleta de enchufes adecuada o desconectar un par de cables. Implica diseñar de forma estratégica la colocación de componentes de protección transitoria en el diseño del PCB e implementar una sólida estrategia de conexión a tierra. En este contexto, los diodos TVS (supresores de voltaje transitorio) son uno de los componentes más utilizados para proteger componentes en un diseño de PCB.

Estos diodos TVS se colocan habitualme en las líneas de datos y funcionan desviando la corriente lejos de un componente protegido una vez que se recibe un pulso ESD en el circuito. Asegurar que el diseño de tu PCB esté optimizado para la protección transitoria con diodos TVS puede marcar la diferencia entre un dispositivo funcional y una placa de circuito dañada.

¿Qué es un Diodo TVS y Cómo Funciona?

Un diodo TVS (diodo de supresión de voltaje transitorio) es un componente diseñado específicamente para proteger dispositivos contra  eventos transitorios asociados con la descarga electrostática (ESD). (No debe confundirse con el diodo zener ni con el diodo schottky). Está formado por una unión semiconductor p-n que se vuelve conductiva durante un pico de voltaje transitorio.

En condiciones normales, un diodo TVS presenta una alta impedancia y una corriente de fuga muy baja, actuando de manera similar a un circuito abierto. Sin embargo, cuando el voltaje sobrepasa el umbral del supresor de voltaje transitorio, el efecto avalancha en el semiconductor provoca que la unión p-n comience a conducir. De este modo, proporciona un camino de baja impedancia que canaliza la corriente excesiva lejos del dispositivo protegido.

El tiempo de respuesta de los diodos TVS es extremadamente rápido, a menudo expresado en picosegundos, por lo que estos componentes pueden desviar muy rápidamente un fuerte pulso ESD, incluso si ese pulso ESD tiene un tiempo de subida relativamente rápido.

Elegir el Diodo TVS Adecuado para su Diseño

Todos los diodos TVS funcionan bajo principios similares: si se aplica un voltaje de polarización directa o inversa lo suficientemente grande, comenzarán a conducir. Sin embargo, no todos los diodos TVS (supresores de voltaje transitorio) ofrecen el mismo nivel de protección. Seleccionar el componente incorrecto para tu diseño de PCB puede hacer que la protección transitoria sea ineficaz desde el principio.

Al elegir un diodo TVS para tu diseño de PCB, es importante comprender algunos parámetros clave:

• Voltaje de Ruptura en Polarización Inversa (VB) - Es el voltaje de polarización inversa en el cual el diodo TVS comenzará a conducir. Una vez que el diodo TVS comienza a conducir, desviará el pulso ESD lejos del componente protegido.
• Tensión de Sujeción (VC) - La tensión de sujeción es la tensión mínima a la cual el diodo TVS conducirá significativamente después de que se exceda el punto de ruptura por polarización inversa. Este valor se define dentro del límite de la corriente pico especificada. En general, un valor de VC más bajo proporcionará más protección a un componente, y el VC debería ser seleccionado de manera que sea menor que el límite de tensión de entrada del componente protegido.
• Tensión Nominal de Soporte (VWM) - Indica el límite de tensión de polarización inversa por debajo del cual el diodo TVS permanecerá aislante. Dentro de la Tensión Nominal de Soporte, el diodo TVS tiene una alta impedancia con solo una pequeña cantidad de corriente de fuga.
• Disipación de Potencia de Pulso Pico (PPP) - El diodo TVS necesita ser capaz de disipar de manera segura la corriente excesiva causada por el voltaje transitorio. Esto se indica por la Disipación de Potencia de Pulso Pico.

¿Cómo Funciona un Diodo TVS?

Todos los diodos TVS funcionan bajo un principio simple: cuando circuito recibe un pulso ESD, este puede superar muy rápidamente el valor de voltaje de ruptura en polarización inversa del diodo. Los dispositivos que exponen cualquiera de sus conductores al ambiente externo, como a través de un conector, pueden recibir pulsos ESD en esos conductores. Si esos conductores son parte de una línea de señal que conduce a un componente, el pulso ESD recibido transferirá un pulso de alto voltaje/alta corriente al componente. Esto podría destruir el componente.

Cuando ocurre un ESD en una línea de señal y hay un diodo TVS instalado en la línea de señal, el diodo comenzará a conducir y el pulso puede pasar a través del diodo. Esto permite que el diodo desvíe el pulso ESD lejos del circuito protegido.

La conexión típica consiste en conectar el ánodo a una conexión a tierra, de modo que el pulso ESD será pasado a tierra. Mientras haya una ruta de baja impedancia en la región de tierra, entonces el pulso será desviado lejos del componente protegido.

¿Diodo TVS Bidireccional o Unidireccional?

Los diodos TVS se presentan en dos variantes principales: bidireccionales y unidireccionales. Estos dos tipos de diodos TVS tienen símbolos eléctricos diferentes como se muestra a continuación.

Al comprar diodos TVS (supresores de voltaje transitorio), es importante tener en cuenta que el término general "diodo TVS" suele refierese al tipo unidireccional. Por lo tanto, si necesitas un diodo TVS bidireccional, debes asegurarte de que esté clramente especificado en la hoja de datos o en la descripción del componente.

¿Qué tipo de diodo TVS elegir?

Entonces, ¿qué tipo de diodo TVS deberías elegir? La elección entre un diodo TVS unidireccional y un diodo TVS bidireccional depende de la naturaleza de la señal a proteger: 

• Diodo TVS unidireccional: Adecuado para líneas que trabajan únicamente con polaridad positiva o negativa.
• Diodo TVS bidireccional: Recomendado para circuitos que transportan señales de polaridad alterna (positiva y negativa), como ocurre en pares diferenciales o líneas analógicas que oscilan entre ambas polaridades.

Ventajas del Diodo TVS Bidireccional

En la mayoría de los casos, es recomendable optar por un diodo TVS bidireccional para garantizar una protección integral contra fallas y descargas electrostáticas (ESD). Esto se debe a que la región de tierra puede recibir pulsos ESD, al igual que las líneas de señal que quieres proteger.

Si hay una falla de tierra que causa que el camino a través de tierra tenga alta impedancia, entonces el camino de menor impedancia podría ser a través de un diodo unidireccional y a través del componente que quieres proteger. Sin embargo, si el diodo es bidireccional, tiene la posibilidad de seguir protegiendo el componente incluso si hay una falla de tierra.

Consejos para el Diseño de PCB con Diodo TVS

Además de elegir el diodo TVS adecuado, la efectividad de la protección depende en gran medida del diseño del PCB. Un ejemplo de diodo TVS bidireccional está conectado en paralelo al circuito que está protegiendo en el esquemático a continuación. El esquemático indica una conexión típica de un diodo TVS a un transceptor MAX3485:

Esquemático típico de conexión de diodo TVS.

En este ejemplo, si ocurriera un evento ESD donde las líneas D+ y D- estuvieran expuestas al ambiente externo, y este evento creara un voltaje positivo con respecto a GND, entonces el diodo TVS comenzaría a conducir siempre que el voltaje ESD excediera el voltaje de ruptura en inversa del TVS.

Si hubiera un evento ESD que causara que la corriente comenzara a fluir en el plano de GND, la corriente debería ser totalmente desviada lejos de los componentes siempre que haya una trayectoria de tierra de baja impedancia en el sistema.

En el caso de que el ESD sea recibido por el conductor de tierra, un diodo TVS bidireccional es preferible porque todavía ofrecerá cierta protección, mientras que el transceptor podría seguir estando expuesto a cierto voltaje si el diodo TVS fuera unidireccional. La desviación preferible con el diodo TVS bidireccional ocurre porque el pulso aplicado necesitaría superar un umbral (el valor VB para la mitad superior del diodo TVS) antes de que pueda ocurrir la conducción de GND a las pistas.

En un diseño de PCB, se deben seguir algunas pautas importantes para que los diodos TVS funcionen correctamente. Estas incluyen la colocación, la conexión a tierra y el uso de pasivos como resistencias o capacitores en el blindaje.

Colocación de los Diodos TVS

Dado que los eventos de ESD suelen ocurrir cerca de conductores expuestos en un dispositivo electrónico, la mejor practica es colocar los diodos TVS cerca de la región donde esos conductores están expuestos al ambiente externo. A continuación, se muestra un ejemplo de diseño simple con un conector de 2 pines.

Coloque los diodos TVS cerca de conductores expuestos que corren el riesgo de recibir un pulso ESD.

Las pistas de PCB tienen cierta inductancia parásita que puede causar que el voltaje de sujeción del diodo TVS aumente por encima de su límite especificado. La pista del diodo TVS también debe ser comparativamente corta a la pista del transceptor para minimizar la impedancia y asegurar que la energía excesiva en el sobrevoltaje se disipe. Esto minimizará la inductancia parásita en el camino hacia el diodo TVS.

Puesta a tierra

Siempre que sea posible, se recomienda conectar el diodo TVS a una red de tierra diferente que el componente protegido.

Esto no significa que debas dividir los planos de tierra. En cambio, el tipo de conexión más seguro es tener el diodo TVS conectado a un elemento metálico en una tierra de chasis si está disponible, con la conexión normalmente realizada con una pista conectada a un tornillo de chasis o un agujero de montaje.

Si esta conexión no está disponible, entonces la conexión se puede hacer a un plano interno. Sin embargo, en un entorno donde hay riesgo de descargas electrostáticas (ESD) fuertes, lo más recomendable es que el dispositivo esté encapsulado en un chasis que tenga una tierra de chasis metálica segura seguida de una conexión a tierra.

Eliminar Pasivos en Blindaje

Algunos componentes como los conectores blindados tendrán un blindaje metálico adicional que protege los conductores expuestos. El blindaje en los conectores no está destinado para protección mecánica o térmica, en realidad está pensado para prevenir la recepción de ruido y proteger contra la ESD.

En entornos donde existe algún riesgo de ESD, lo más es combinar conectores blindados con diodos TVS (supresores de voltaje transitorio). Los diodos TVS se conectan a las líneas de señal, y el blindaje en el conector se conecta directamente a tierra.

En la imagen anterior, se muestra una conexión directa entre las tierras del chasis y las señales. El enfoque habitual es ubicar esta conexión en un punto estratégico del sistema para asegurar un potencial de tierra uniforme en todos los conductores, pero aún se controlan las corrientes de retorno regulares para que no pasen a través del chasis.

Este principio se cumple siempre que GND actúe como un plano de tierra de baja impedancia y baja inductancia. Si esta fuera una región aislada galvánicamente del sistema, podría ser mejor poner esa conexión más cerca del cuerpo del conector, como se implica en el esquemático anterior.

en algunos diseños es común encontrar intentos de conectar el blindaje a tierra mediante un circuito snubber o un circuito RC paralelo. Sin embargo, ambos métodos derrotan el propósito completo de tener un conector blindado. En su lugar, realiza una conexión directa entre el blindaje y la tierra del chasis (si está disponible) o con el plano de tierra. Esto creará una ruta de muy baja impedancia a tierra que previene que la energía en un evento de ESD alcance un componente protegido.

En situaciones donde exista la dificultad controlar las corrientes de retorno (como con una tierra flotante), el enfoque apropiado es colocar un capacitor grande entre el blindaje y el plano de tierra; esto asegura que los pulsos rápidos de ESD puedan ser desviados y no habrá ruido de alta frecuencia radiado desde el sistema debido a cualquier desfase entre las dos tierras.

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