Guida all'utilizzo di diodi TVS nella progettazione PCB

I diodi TVS sono un componente essenziale per gli ingegneri hardware che desiderano proteggere i dispositivi dalle sovratensioni. Questa protezione non si limita all'acquisto della ciabatta giusta o allo scollegamento di un paio di cavi, ma richiede una collocazione strategica dei componenti per la protezione da transitori nel layout del PCB e una chiara strategia di messa a terra.

Questi componenti sono posizionati sulle linee dati e operano deviando la corrente lontano da un componente protetto una volta che un impulso ESD viene ricevuto nel circuito. Assicurarsi che il layout del vostro PCB sia ottimizzato per la protezione da transitori può significare la differenza tra un dispositivo funzionante e una scheda circuitale bruciata.

Che cos'è un diodo TVS e come funziona?

Un diodo di soppressione di tensione transitoria (TVS) è un componente comunemente utilizzato per proteggere un dispositivo contro eventi transitori associati alla scarica elettrostatica (ESD). (Da non confondere con diodo zener o diodo schottky.) È costituito da una giunzione semiconduttrice p-n che diventa conduttiva durante un picco di tensione transitorio. In circostanze normali, un diodo TVS ha un'alta impedenza con una corrente di perdita molto bassa, agendo efficacemente come un circuito aperto.

Quando la tensione sul soppressore di tensione transitoria aumenta oltre la sua tensione di soglia, l'effetto valanga nel semiconduttore fa sì che la giunzione p-n inizi a condurre, fornendo un percorso a bassa impedenza che canalizza la corrente eccessiva lontano da un dispositivo protetto. Il tempo di risposta del diodo TVS è estremamente rapido, spesso espresso in picosecondi, quindi questi componenti possono deviare molto rapidamente un forte impulso ESD, anche se tale impulso ESD ha un tempo di salita relativamente veloce.

Come scegliere il diodo TVS giusto per il tuo progetto

Tutti i diodi TVS sono fondamentalmente diodi: se applichi una tensione di polarizzazione diretta o inversa abbastanza grande, inizieranno a condurre. Ovviamente, non tutti i diodi TVS sono creati uguali. Scegliere quello sbagliato per il tuo progetto può rendere la protezione transitoria inefficace fin dall'inizio. Ci sono alcuni parametri che dovrai comprendere quando scegli un diodo TVS:

• Tensione di rottura in polarizzazione inversa (VB) - Questa è la tensione di polarizzazione inversa alla quale il TVS diode inizierà a condurre. Una volta che il TVS diode inizia a condurre, devierà l'impulso ESD lontano dal componente protetto.
• Tensione di Clamp (VC) - La tensione di clamp è la tensione minima alla quale il diodo TVS inizierà a condurre significativamente dopo che il breakdown in polarizzazione inversa è stato superato. Questo valore è definito entro il limite della corrente di picco specificata. In generale, un valore di VC più basso fornirà maggiore protezione a un componente, e il VC dovrebbe essere selezionato in modo che sia inferiore al limite di tensione di ingresso del componente protetto.
• Tensione di Standoff Nominale (VWM) - Questo indica il limite di tensione in polarizzazione inversa al di sotto del quale il diodo TVS rimarrà isolante. All'interno della Tensione di Standoff Nominale, il diodo TVS presenta un'alta impedenza con solo una piccola quantità di corrente di perdita.
• Dissipazione di Potenza di Picco dell'Impulso (PPP) - Il diodo TVS deve essere in grado di dissipare in modo sicuro la corrente eccessiva causata dalla tensione transitoria. Questo è indicato dalla dissipazione di potenza di picco dell'impulso.

Come funziona un diodo TVS?

Tutti i diodi TVS funzionano su un principio semplice: quando un impulso ESD viene ricevuto su un circuito, l'impulso può superare molto rapidamente il valore di tensione di rottura in polarizzazione inversa del diodo. I dispositivi che espongono uno qualsiasi dei loro conduttori all'ambiente esterno, come attraverso un connettore, possono ricevere impulsi ESD su tali conduttori. Se questi conduttori fanno parte di una linea di segnale che porta a un componente, l'impulso ESD ricevuto trasferirà un impulso ad alta tensione/alta corrente nel componente. Ciò potrebbe distruggere il componente.

Quando si verifica un ESD su una linea di segnale e un diodo TVS è presente sulla linea di segnale, il diodo inizierà a condurre e l'impulso può passare attraverso il diodo. Questo permette al diodo di deviare l'impulso ESD lontano dal circuito protetto. La connessione tipica consiste nel collegare l'anodo a una connessione di terra, così l'impulso ESD sarà passato a terra. Finché esiste un percorso a bassa impedenza nella regione di terra, allora l'impulso sarà deviato lontano dal componente protetto.

Bidirezionale o unidirezionale?

I diodi TVS si presentano in due varietà: bidirezionali e unidirezionali. Questi due tipi di diodi TVS hanno simboli diversi come mostrato di seguito.

Quando si acquistano diodi TVS, è importante notare che il termine generico "diodo TVS" si riferisce solo al tipo unidirezionale. Quindi, se hai bisogno di un componente bidirezionale, devi assicurarti che ciò sia specificato.

Quindi, quale tipo di diodo TVS dovresti scegliere? Il motivo principale per utilizzare un diodo TVS bidirezionale è fornire protezione quando il circuito trasporta segnali di polarità positiva e negativa. Questo è il motivo per cui potresti vedere diodi TVS bidirezionali su una coppia differenziale, o su una linea analogica che oscilla tra polarità positiva e negativa.

Sono fermamente convinto che si dovrebbe preferire un diodo TVS bidirezionale per una protezione completa da guasti e protezione ESD. Questo perché la regione di terra può ricevere impulsi ESD, proprio come le linee di segnale che vuoi proteggere. Se c'è un guasto a terra che causa un percorso attraverso il terreno ad alta impedenza, allora il percorso a più bassa impedenza potrebbe essere attraverso un diodo unidirezionale e attraverso il componente che si vuole proteggere! Tuttavia, se il diodo è bidirezionale, ha la possibilità di proteggere ancora il componente anche in caso di guasto a terra.

Suggerimenti per il layout PCB per diodo TVS

Oltre alla scelta del giusto diodo TVS, l'efficacia della protezione è determinata dal layout del PCB stesso. Un esempio di diodo TVS bidirezionale è connesso in parallelo al circuito che sta proteggendo nello schema sottostante. Lo schema indica un collegamento tipico di un diodo TVS a un trasmettitore MAX3485:

Schema tipico di connessione di un diodo TVS.

In questo esempio, se si verificasse un evento ESD in cui le linee D+ e D- sono esposte all'ambiente esterno, e questo evento generasse una tensione positiva rispetto a GND, allora il diodo TVS inizierebbe a condurre finché la tensione ESD superasse la tensione di rottura in polarizzazione inversa del TVS. Se ci fosse un evento ESD che causasse l'inizio del flusso di corrente nel piano di GND, la corrente dovrebbe essere completamente deviata lontano dai componenti a patto che ci sia un percorso di terra a bassa impedenza nel sistema.

Nel caso in cui l'ESD venga ricevuto dal conduttore di terra, è preferibile un diodo TVS bidirezionale perché offrirà comunque una certa protezione, mentre il trasmettitore potrebbe comunque essere esposto ad una certa tensione se il diodo TVS fosse unidirezionale. La deviazione preferibile con il diodo TVS bidirezionale si verifica perché l'impulso applicato dovrebbe superare una certa soglia (il valore VB per la metà superiore del diodo TVS) prima che possa avvenire la conduzione da GND alle tracce.

In un layout di PCB, alcune importanti linee guida dovrebbero essere seguite affinché i diodi TVS funzionino correttamente. Queste includono il posizionamento dei componenti, la messa a terra e l'uso di eventuali componenti passivi come resistori o condensatori sulla schermatura.

Posizionamento dei diodi TVS

Poiché l'ESD può verificarsi vicino ai conduttori esposti in un dispositivo elettronico, è meglio posizionare i diodi TVS vicino alla regione dove tali conduttori sono esposti all'ambiente esterno. Di seguito è mostrato un semplice esempio di layout con un connettore a 2 pin.

Posizionare i diodi TVS vicino ai conduttori esposti che sono in pericolo di ricevere un impulso ESD.

Le tracce dei PCB presentano una certa induttanza parassita che può causare l'aumento della tensione di serraggio del diodo TVS oltre il suo limite specificato. La traccia del diodo TVS dovrebbe anche essere relativamente breve rispetto alla traccia del trasmettitore per minimizzare l'impedenza e garantire che l'energia eccessiva nella sovratensione sia dissipata. Questo minimizzerà l'induttanza parassita nel percorso che porta al diodo TVS.

Messa a terra

Se possibile, è una buona idea collegare il diodo TVS a una rete di terra diversa rispetto al componente protetto. Questo non significa che si dovrebbero dividere i piani di terra. Invece, il tipo di connessione più sicuro è avere il diodo TVS collegato a un elemento metallico in un terra di chassis se disponibile, con la connessione normalmente realizzata con una traccia collegata a una vite del chassis o a un foro di montaggio. Se questa connessione non è disponibile, allora la connessione può essere realizzata con un piano interno. Tuttavia, in un ambiente dove c'è il rischio di forti ESD, il dispositivo dovrebbe essere incapsulato in un chassis che ha una sicura messa a terra del chassis metallico seguita da una connessione a terra.

Eliminare i passivi sullo schermaggio

Alcuni componenti come i connettori schermati avranno una protezione metallica aggiuntiva che protegge i conduttori esposti. La schermatura sui connettori non è destinata alla protezione meccanica o termica, è in realtà pensata per prevenire la ricezione di rumore e proteggere contro le scariche elettrostatiche (ESD). Se c'è il pericolo di ESD, allora i connettori schermati possono essere utilizzati insieme ai diodi TVS. I diodi TVS sono connessi alle linee di segnale, e la schermatura sul connettore è connessa direttamente a terra.

Nell'immagine sopra, ho posto una connessione diretta tra i terreni del telaio e i terreni di segnale. L'approccio tipico è quello di mettere questa connessione in un'unica posizione nel sistema in modo da garantire un potenziale di terra uniforme su tutti i conduttori, ma si controllano ancora le correnti di ritorno regolari in modo che non passino attraverso il telaio. Direi che lo stesso si applica qui purché GND sia un piano di terra a bassa impedenza e bassa induttanza. Se questa fosse una regione del sistema isolata galvanicamente, potrebbe essere meglio mettere quella connessione più vicino al corpo del connettore, come è implicito nello schema sopra.

Ci sono alcuni casi in cui si vedrà qualcuno tentare di collegare lo schermo alla terra attraverso un circuito snubber o un circuito RC parallelo. Entrambi questi metodi vanificano lo scopo stesso di avere un connettore schermato. Invece, effettua un collegamento diretto tra lo schermo e la terra del telaio (se disponibile) o con il piano di massa. Questo creerà un percorso a bassissima impedenza verso la terra che impedisce all'energia in un evento ESD di raggiungere un componente protetto. In alcuni casi, dove ci saranno problemi nel controllare le correnti di ritorno (come con una terra flottante), l'approccio appropriato è quello di mettere un grande condensatore tra lo schermo e il piano di massa; ciò assicura che gli impulsi ESD rapidi possano essere deviati e non ci sarà rumore ad alta frequenza irradiato dal sistema a causa di qualsiasi offset tra le due terre.

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