Diode transil (TVS) : comment protéger les PCB des décharges électrostatiques (DES/ESD) ?

Créé: June 13, 2017
Mise à jour: December 21, 2020

une personne branchant quelque chose sur son téléphone

 

Il y a quelques années, pendant les cours d’électronique du premier cycle, notre enseignant adorait nous donner des circuits sous la forme de « boîtes noires ». 

Nous devions mesurer la tension et les caractéristiques de chaque boîte pour déterminer les composants du circuit.

Et il ne manquait pas d’inclure quelques diodes..

À l’époque, je ne voyais pas l’intérêt des diodes, et je n’arrivais pas à voir pourquoi.

Je n’ai commencé à voir l’intérêt des diodes qu’en cherchant des moyens de protéger mon circuit imprimé des décharges électrostatiques (DES, ou ESD en anglais). Les diodes jouent un rôle essentiel dans la gestion des niveaux de tension, en particulier suite à des décharges électrostatiques (Electro Static Discharge).

Les ESD peuvent provenir de nombreuses sources, ne serait-ce que le fait de toucher par inadvertance le circuit. L’une des sources les plus courantes d’ESD sont les entrées, comme le fait de brancher un câble ou d’appuyer sur un bouton.

C’est à ce niveau qu'il faut réduire au minimum la pointe de tension qui touchera vos composants sensibles.

 

diode Zener

Ne sous-estimez pas les diodes transiles ! Elles jouent un rôle crucial dans la protection des circuits !

 Comment protéger les entrées des décharges électrostatiques (ESD) avec des diodes transil ?

La première protection contre les ESD consiste à minimiser l’impédance du chemin à la masse.

C’est une façon de réduire la tension (VESD) que la carte va subir lors d’une décharge.

La loi d’Ohm donne VESD = IESDR, mais IESD est hors de contrôle. La seule façon de réduire au minimum VESD est donc de minimiser R.

Le problème est qu’on ne peut pas simplement réduire le chemin jusqu’à la masse, car c’est le plan de masse qui fournira un chemin direct à tous vos composants sensibles.

À la place, on peut ajouter un circuit de protection au niveau des entrées sous la forme d’une diode transil, autrement appelée diode TVS ou Transient Voltage Suppressor en anglais (suppresseur de tension transitoire).

Les diodes transil, ou diodes TVS, se composent de deux diodes combinées avec une diode à avalanche, regroupées dans un composant unique.

Cette protection réduit considérablement les risques que vos composants soient endommagés, sans trop augmenter le coût ni la complexité de votre conception.

Le sous-circuit TVS crée essentiellement un diviseur de courant entre le TVS et le CI ou les composants que vous souhaitez protéger. Il présente une impédance d’entrée élevée à l’entrée, ce qui fait qu’il n’interfère pas avec le fonctionnement normal.

Toutefois, lorsque les pointes de courants d’entrée sont considérables, comme dans le cas d’une décharge électrostatique, la diode transil (TVS) atteint sa tension de claquage et court-circuite le courant vers la masse plutôt que vers les  composants sensibles qu’on essaie de protéger. 

une personne branchant quelque chose sur son téléphone

Il y a un risque de décharge électrostatique à chaque branchement sur un appareil !

Protéger les circuits avec des diodes transil (diodes TVS)

Lorsque vous ajoutez une diode transil à votre conception, vous devez router des pistes aussi directes que possible afin de minimiser les interférences électromagnétiques  générées dans les angles et qui se propagent sur toute la carte.

Texas Instruments recommande d’utiliser des courbes de grand rayon au lieu de lignes droites brisées.

Si c’est impossible en raison de limitations techniques sur le circuit imprimé, utilisez un angle maximal de 45°.

Pour moi, c’est comme un angle de 135°, où on aurait coupé le coin au niveau de l’angle droit, comme un panneau STOP : on obtient  deux angles très obtus à la place.

Je recommande aussi vivement de consulter la section des ressources techniques de Texas Instruments si vous avez vraiment besoin de résoudre un problème.

conception de circuit imprimé en bleu

Près des circuits de protection contre les décharges électrostatiques, pensez à utiliser de grands rayons de courbure. Les angles droits sont plus susceptibles de générer des interférences lors de la dissipation du pic de tension.

Puisqu’on mentionne les pistes, je conseille aussi d’éviter d’utiliser un VIA pour connecter une source d’ESD (votre entrée) à la diode TVS quand c‘est possible.

Utilisez des pistes pour le routage aux diodes TVS vu que les VIA peuvent vraiment compliquer la protection contre les ESD. Lorsqu’on est à proximité d’une source probable d’ESD, ce sont des complications qu'il vaut mieux éviter.

Finalement, on doit également inclure une résistance tampon dans le circuit de protection. On l’ajoute en série entre la source possible d’ESD et le CI qu’on essaie de protéger.

Ça aide à diminuer le courant de crête qui parvient au CI depuis le diviseur de courant que vous avez ajouté à l’entrée. Certaines diodes TVS peuvent « se réinitialiser » lorsqu’elles sont soumises à un pic de tension très important, mais pas toutes.

Si elles sont brûlées par une décharge, elles peuvent court-circuiter vers la masse et éliminer la protection. Les diodes sont puissantes, mais il est bon d’avoir une deuxième ligne de défense.

Pour choisir les diodes TVS les plus appropriées à votre application, vous devez examiner attentivement l’inductance sur votre carte et la plage de tension contre laquelle elle doit être protégée.

En utilisant des conceptions modulaires et en gérant les exigences en interne, on peut minimiser le travail à répéter lors de prochaines conceptions.

Un excellent outil pour y parvenir est Altium Vault, qui peut être utilisé conjointement avec le logiciel de circuits imprimés Altium Designer.

Même s’il ne choisira pas les composants pour vous (et qu’il ne fera pas l’analyse de vos circuits), il facilitera énormément le flux de vos conceptions. Des techniciens d’Altium peuvent vous aider à démarrer dès aujourd’hui !

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