Directives de conception de PCB pour l'utilisation de diodes TVS pour la protection contre les transitoires

Pour les ingénieurs en électronique, la protection contre les surtensions ne se résume pas à acheter la bonne multiprise ou à débrancher quelques câbles. Elle implique de placer stratégiquement des composants de protection transitoire dans l'agencement du PCB et de mettre en œuvre une stratégie de mise à la terre claire. Les diodes TVS sont un composant couramment utilisé pour protéger les composants dans un agencement de PCB. Ces composants sont placés sur les lignes de données et fonctionnent en déviant le courant loin d'un composant protégé une fois qu'une impulsion ESD est reçue dans le circuit. S'assurer que votre agencement de PCB est optimisé pour la protection transitoire peut faire la différence entre un dispositif fonctionnel et un circuit imprimé grillé.

Qu'est-ce qu'une diode TVS et comment fonctionne-t-elle ?

Une diode de suppression de tension transitoire (TVS) est un composant couramment utilisé pour protéger un dispositif contre les événements transitoires associés à la décharge électrostatique (ESD). (À ne pas confondre avec la diode zener ou la diode schottky.) Elle est constituée d'une jonction semi-conductrice p-n qui devient conductrice lors d'une pointe de tension transitoire. Dans des circonstances normales, une diode TVS présente une haute impédance avec un courant de fuite très faible, agissant efficacement comme un circuit ouvert.

Lorsque la tension sur le suppresseur de tension transitoire augmente au-delà de sa tension de seuil, l'effet d'avalanche dans le semi-conducteur provoque le début de conduction de la jonction p-n, fournissant un chemin à faible impédance qui canalise le courant excessif loin d'un dispositif protégé. Le temps de réponse de la diode TVS est extrêmement rapide, souvent exprimé en picosecondes, donc ces composants peuvent très rapidement dévier une forte impulsion ESD, même si cette impulsion ESD a un temps de montée relativement rapide.

Choisir la bonne diode TVS pour votre conception

Toutes les diodes TVS sont fondamentalement des diodes : si vous appliquez une tension de polarisation directe ou inverse suffisamment grande, elles commenceront à conduire. Bien sûr, toutes les diodes TVS ne sont pas créées de la même manière. Choisir la mauvaise pour votre conception peut rendre la protection transitoire inefficace dès le départ. Il y a quelques paramètres que vous devez comprendre lors du choix d'une diode TVS :

• Tension de claquage en polarisation inverse (VB) - C'est la tension de polarisation inverse à laquelle la diode TVS commencera à conduire. Une fois que la diode TVS commence à conduire, elle déviera l'impulsion ESD loin du composant protégé.
• Tension de serrage (VC) - La tension de serrage est la tension minimale à laquelle la diode TVS commencera à conduire de manière significative après que le seuil de claquage en polarisation inverse soit dépassé. Cette valeur est définie dans la limite du courant de crête spécifié. En général, une valeur de VC plus faible offrira plus de protection à un composant, et le VC devrait être choisi de sorte qu'il soit inférieur à la limite de tension d'entrée du composant protégé.
• Tension de maintien nominale (VWM) - Cela indique la limite de tension en polarisation inverse en dessous de laquelle la diode TVS restera isolante. Dans la plage de la Tension de maintien nominale, la diode TVS présente une haute impédance avec seulement une petite quantité de courant de fuite.
• Puissance de dissipation de crête d'impulsion (PPP) - La diode TVS doit être capable de dissiper en toute sécurité le courant excessif causé par la tension transitoire. Cela est indiqué par la Puissance de dissipation de crête d'impulsion.

Comment fonctionne une diode TVS ?

Tous les diodes TVS fonctionnent selon un principe simple : lorsqu'une impulsion ESD est reçue sur un circuit, l'impulsion peut très rapidement dépasser la valeur de tension de claquage en polarisation inverse de la diode. Les dispositifs qui exposent l'un de leurs conducteurs à l'environnement externe, comme à travers un connecteur, peuvent recevoir des impulsions ESD sur ces conducteurs. Si ces conducteurs font partie d'une ligne de signal menant à un composant, l'impulsion ESD reçue transférera une impulsion de haute tension/haute courant dans le composant. Cela pourrait détruire le composant.

Lorsqu'une ESD se produit sur une ligne de signal et qu'une diode TVS est présente sur la ligne de signal, la diode commencera à conduire et l'impulsion peut passer à travers la diode. Cela permet à la diode de dévier l'impulsion ESD loin du circuit protégé. La connexion typique consiste à connecter l'anode à une connexion de terre, de sorte que l'impulsion ESD sera passée dans la terre. Tant qu'il existe un chemin à faible impédance dans la région de terre, alors l'impulsion sera déviée loin du composant protégé.

Bidirectionnelle ou Unidirectionnelle ?

Les diodes TVS se déclinent en deux variétés : bidirectionnelles et unidirectionnelles. Ces deux types de diodes TVS ont des symboles différents comme montré ci-dessous.

Lorsque vous cherchez des diodes TVS, il est important de noter que le terme générique "diode TVS" ne fait référence qu'au type unidirectionnel. Donc, si vous avez besoin d'un composant bidirectionnel, vous devez vous assurer que cela est spécifié.

Alors, quel type de diode TVS devriez-vous choisir ? La principale raison d'utiliser une diode TVS bidirectionnelle est de fournir une protection lorsque le circuit transporte des signaux de polarité positive et négative. C'est pourquoi vous pourriez voir des diodes TVS bidirectionnelles sur une paire différentielle, ou sur une ligne analogique qui oscille entre la polarité positive et négative.

Je suis fermement convaincu que vous devriez préférer une diode TVS bidirectionnelle pour une protection complète contre les fautes et la protection ESD. Cela est dû au fait que la région de terre peut recevoir des impulsions ESD, tout comme les lignes de signal que vous souhaitez protéger. Si il y a un défaut de terre qui cause au chemin à travers la terre d'avoir une haute impédance, alors le chemin d'impédance le plus bas pourrait être à travers une diode unidirectionnelle et à travers le composant que vous voulez protéger ! Cependant, si la diode est bidirectionnelle, elle a une chance de protéger encore le composant même s'il y a un défaut de terre.

Conseils de disposition de PCB pour diode TVS

Outre le choix de la bonne diode TVS, l'efficacité de la protection est déterminée par l'agencement du PCB lui-même. Un exemple de diode TVS bidirectionnelle est connecté en parallèle au circuit qu'elle protège dans le schéma ci-dessous. Le schéma indique une connexion typique d'une diode TVS à un transceiver MAX3485 :

Schéma typique de connexion de diode TVS.

Dans cet exemple, si un événement ESD se produisait où les lignes D+ et D- étaient exposées à l'environnement externe, et que cet événement créait une tension positive par rapport à GND, alors la diode TVS commencerait à conduire tant que la tension ESD dépassait la tension de claquage en inverse de la TVS. Si un événement ESD provoquait le début d'un courant dans le plan de GND, le courant devrait être totalement détourné des composants tant qu'il existe un chemin de terre à faible impédance dans le système.

Dans le cas où l'ESD est reçu par le conducteur de terre, une diode TVS bidirectionnelle est préférable car elle offrira toujours une certaine protection, alors que le transceiver pourrait encore être exposé à une certaine tension si la diode TVS était unidirectionnelle. La déviation préférable avec la diode TVS bidirectionnelle se produit parce que l'impulsion appliquée devrait dépasser un certain seuil (la valeur VB pour la moitié supérieure de la diode TVS) avant que la conduction puisse se produire de GND vers les pistes.

Dans la disposition d'un PCB, quelques directives importantes doivent être suivies pour que les diodes TVS fonctionnent correctement. Celles-ci incluent le placement, la mise à la terre et l'utilisation de passifs comme des résistances ou des condensateurs sur le blindage.

Placement des Diodes TVS

Comme l'ESD peut se produire près des conducteurs exposés dans un dispositif électronique, il est préférable de placer les diodes TVS près de la région où ces conducteurs sont exposés à l'environnement externe. Un exemple de disposition simple avec un connecteur à 2 broches est montré ci-dessous.

Placez les diodes TVS près des conducteurs exposés qui sont en danger de recevoir une impulsion ESD.

Les pistes de PCB possèdent une certaine inductance parasite qui peut provoquer l'augmentation de la tension de serrage de la diode TVS au-delà de sa limite spécifiée. La piste de la diode TVS doit également être relativement courte par rapport à la piste du transceiver pour minimiser l'impédance et garantir que l'énergie excessive dans la surtension soit dissipée. Cela permettra de minimiser l'inductance parasite dans le chemin menant à la diode TVS.

Mise à la terre

Si possible, il est conseillé de connecter la diode TVS à un réseau de masse différent de celui du composant protégé. Cela ne signifie pas que vous devriez séparer les plans de masse. Au contraire, le type de connexion le plus sûr est d'avoir la diode TVS connectée à un élément métallique dans une masse de châssis si elle est disponible, la connexion étant normalement réalisée avec une piste connectée à une vis de châssis ou à un trou de montage. Si cette connexion n'est pas disponible, alors la connexion peut être faite à un plan interne. Cependant, dans un environnement où il y a un risque de forte DES, le dispositif devrait être emballé dans un châssis qui possède une masse de châssis métallique sûre suivie d'une connexion à la terre.

Éliminer les passifs sur le blindage

Certains composants, comme les connecteurs blindés, possèdent un blindage métallique supplémentaire qui protège les conducteurs exposés. Le blindage sur les connecteurs n'est pas destiné à une protection mécanique ou thermique, il vise en réalité à prévenir la réception de bruits et à protéger contre les décharges électrostatiques (ESD). S'il y a un risque d'ESD, alors les connecteurs blindés peuvent être utilisés conjointement avec des diodes TVS. Les diodes TVS sont connectées aux lignes de signal, et le blindage du connecteur est directement relié à la terre.

Dans l'image ci-dessus, j'ai établi une connexion directe entre les masses du châssis et du signal. L'approche typique consiste à mettre cette connexion en un seul point du système afin de garantir un potentiel de masse uniforme sur tous les conducteurs, mais vous contrôlez toujours les courants de retour réguliers de manière à ce qu'ils ne passent pas par le châssis. Je dirais que la même chose s'applique ici tant que GND est un plan de masse à faible impédance et faible inductance. Si cette partie était une région galvaniquement isolée du système, il serait peut-être préférable de placer cette connexion plus près du corps du connecteur, comme cela est suggéré dans le schéma ci-dessus.

Il existe certains cas où vous verrez quelqu'un essayer de connecter le blindage à la terre via un circuit snubber ou un circuit RC parallèle. Ces deux méthodes annulent entièrement le but d'avoir un connecteur blindé. Au lieu de cela, établissez une connexion directe entre le blindage et la masse du châssis (si disponible) ou avec le plan de masse. Cela créera un chemin à très faible impédance vers la terre qui empêche l'énergie lors d'un événement ESD d'atteindre un composant protégé. Dans certains cas, où il sera difficile de contrôler les courants de retour (comme avec une terre flottante), l'approche appropriée consiste à mettre un gros condensateur entre le blindage et le plan de masse ; cela assure que les impulsions ESD rapides peuvent être dérivées et qu'il n'y aura pas de bruit haute fréquence rayonné par le système en raison d'un décalage entre les deux terres.

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