Wytyczne projektowania PCB dotyczące stosowania diody TVS do ochrony przed przepięciami

Dla inżynierów sprzętu ochrona przed przepięciami to coś więcej niż zakup odpowiedniego listwa zasilającego czy odłączenie kilku kabli. Obejmuje to strategiczne umieszczanie komponentów ochrony przed przepięciami w układzie PCB oraz wdrażanie jasnej strategii uziemienia. Diody TVS są powszechnie używanym komponentem służącym do ochrony elementów w układzie PCB. Te komponenty są umieszczane na liniach danych i działają poprzez odprowadzanie prądu z dala od chronionego komponentu, gdy w obwodzie odbierany jest impuls ESD. Zapewnienie, że układ PCB jest zoptymalizowany pod kątem ochrony przed przepięciami, może oznaczać różnicę między funkcjonującym urządzeniem a spalonym układem drukowanym.

Co to jest dioda TVS i jak działa?

Dioda tłumiąca przepięcia (TVS) to komponent powszechnie używany do ochrony urządzenia przed zdarzeniami przejściowymi związanymi z wyładowaniem elektrostatycznym (ESD). (Nie należy jej mylić z diodą Zenera czy diodą Schottky'ego.) Składa się z złącza półprzewodnikowego p-n, które staje się przewodzące podczas przepięcia napięcia. W normalnych warunkach dioda TVS ma wysoką impedancję z bardzo niskim prądem upływu, skutecznie działając jak obwód otwarty.

Gdy napięcie na tłumiku przepięć przekroczy jego napięcie progowe, efekt lawinowy w półprzewodniku powoduje, że złącze p-n zaczyna przewodzić, zapewniając ścieżkę o niskiej impedancji, która odprowadza nadmierny prąd z chronionego urządzenia. Czas reakcji diody TVS jest niezwykle szybki, często wyrażany w pikosekundach, więc te komponenty mogą bardzo szybko odprowadzić silny impuls ESD, nawet jeśli ten impuls ESD ma stosunkowo szybki czas narastania.

Wybór odpowiedniej diody TVS dla Twojego projektu

Wszystkie diody TVS są w zasadzie diodami: jeśli zastosuje się wystarczająco duże napięcie polaryzacji w kierunku przewodzenia lub zaporowym, zaczną one przewodzić. Oczywiście, nie wszystkie diody TVS są stworzone tak samo. Wybór niewłaściwej może od początku uczynić ochronę przed przepięciami nieskuteczną. Istnieje kilka parametrów, które musisz zrozumieć, wybierając diodę TVS:

• Napięcie przebicia przy polaryzacji zaporowej (VB) - Jest to napięcie polaryzacji zaporowej, przy którym dioda TVS zaczyna przewodzić. Gdy dioda TVS zacznie przewodzić, będzie odprowadzać impuls ESD z dala od chronionego komponentu.
• Napięcie Zaciskania (VC) - Napięcie zaciskania to minimalne napięcie, przy którym dioda TVS zaczyna przewodzić znacząco po przekroczeniu progu przebicia w kierunku zaporowym. Ta wartość jest określona w granicach określonego maksymalnego prądu. Ogólnie, niższa wartość VC zapewni większą ochronę komponentu, i VC powinno być wybrane tak, aby było mniejsze niż limit napięcia wejściowego chronionego komponentu.
• Nominalne Napięcie Pracy (VWM) - Wskazuje limit napięcia polaryzacji zaporowej, poniżej którego dioda TVS pozostaje izolująca. W obrębie Nominalnego Napięcia Pracy, dioda TVS ma wysoką impedancję z tylko niewielkim prądem upływu.
• Maksymalna Moc Impulsowa (PPP) - Dioda TVS musi być w stanie bezpiecznie rozproszyć nadmierny prąd spowodowany przez przejściowe napięcie. Jest to wskazane przez Maksymalną Moc Impulsową.

Jak Działa Dioda TVS?

Wszystkie diody TVS działają na prostej zasadzie: gdy na obwód otrzymywany jest impuls ESD, może on bardzo szybko przekroczyć wartość napięcia przebicia w kierunku zaporowym dla diody. Urządzenia, które eksponują którykolwiek ze swoich przewodników na zewnętrzne środowisko, na przykład przez złącze, mogą otrzymywać impulsy ESD na tych przewodnikach. Jeśli te przewodniki są częścią linii sygnałowej prowadzącej do komponentu, otrzymany impuls ESD przekaże do komponentu impuls o wysokim napięciu/wysokim prądzie. To może zniszczyć komponent.

Gdy na linii sygnałowej występuje ESD i na linii sygnałowej jest obecna dioda TVS, dioda zacznie przewodzić i impuls może przejść przez diodę. Pozwala to diodzie odwrócić impuls ESD z dala od chronionego obwodu. Typowe połączenie polega na połączeniu anody z połączeniem do ziemi, więc impuls ESD zostanie przekazany do ziemi. Dopóki w regionie ziemi istnieje ścieżka o niskiej impedancji, impuls zostanie odwrócony z dala od chronionego komponentu.

Dwukierunkowa czy jednokierunkowa?

Diody TVS występują w dwóch odmianach: dwukierunkowych i jednokierunkowych. Te dwa typy diod TVS mają różne symbole, jak pokazano poniżej.

Podczas zakupów diod TVS ważne jest, aby zauważyć, że ogólne określenie "dioda TVS" odnosi się tylko do typu jednokierunkowego. Więc jeśli potrzebujesz komponentu dwukierunkowego, musisz upewnić się, że jest to wyraźnie określone.

Więc który typ diody TVS powinieneś wybrać? Głównym powodem, dla którego warto użyć dwukierunkowej diody TVS, jest zapewnienie ochrony, gdy obwód przenosi sygnały o dodatniej i ujemnej polarności. Dlatego możesz zobaczyć dwukierunkowe diody TVS na parze różnicowej lub na linii analogowej, która oscyluje między dodatnią a ujemną polarnością.

Jestem głęboko przekonany, że powinieneś preferować dwukierunkową diodę TVS dla kompleksowej ochrony przed awariami i ochrony ESD. Dzieje się tak, ponieważ obszar uziemienia może otrzymywać impulsy ESD, tak jak linie sygnałowe, które chcesz chronić. Jeśli wystąpi usterka uziemienia, która powoduje, że ścieżka przez uziemienie ma wysoką impedancję, wtedy ścieżka o najniższej impedancji może prowadzić przez diodę jednokierunkową i przez komponent, który chcesz chronić! Jednakże, jeśli dioda jest dwukierunkowa, ma szansę nadal chronić komponent, nawet jeśli wystąpi usterka uziemienia.

Wskazówki dotyczące układu PCB dla diody TVS

Oprócz wyboru odpowiedniej diody TVS, skuteczność ochrony jest określana przez sam układ PCB. Przykładowa dwukierunkowa dioda TVS jest podłączona równolegle do obwodu, który chroni, na poniższym schemacie. Schemat wskazuje typowe połączenie diody TVS z przetwornikiem MAX3485:

Schemat typowego połączenia diody TVS.

W tym przykładzie, gdyby wystąpiło zdarzenie ESD, w którym linie D+ i D- byłyby wystawione na zewnętrzne środowisko, i to zdarzenie wytworzyłoby dodatnie napięcie względem GND, wówczas dioda TVS zaczęłaby przewodzić, o ile napięcie ESD przekroczyłoby napięcie przebicia wstecznego polaryzacji diody TVS. Jeśli zdarzenie ESD spowodowałoby, że prąd zacząłby płynąć w płaszczyźnie GND, prąd powinien być całkowicie odwrócony z dala od komponentów, o ile w systemie istnieje ścieżka o niskiej impedancji do ziemi.

W przypadku, gdy ESD jest odbierane przez przewód uziemiający, preferowany jest dwukierunkowy diod TVS, ponieważ nadal oferuje pewną ochronę, podczas gdy transceiver może nadal być narażony na pewne napięcie, gdyby dioda TVS była jednokierunkowa. Preferowane odprowadzenie z dwukierunkową diodą TVS ma miejsce, ponieważ zastosowany impuls musiałby wzrosnąć powyżej pewnego progu (wartość VB dla górnej połowy diody TVS) zanim może dojść do przewodzenia z GND do ścieżek.

W układzie PCB należy przestrzegać kilku ważnych wytycznych, aby diody TVS działały poprawnie. Obejmują one umiejscowienie, uziemienie i użycie wszelkich elementów pasywnych, takich jak rezystory czy kondensatory na ekranowaniu.

Umiejscowienie diod TVS

Ponieważ ESD może wystąpić w pobliżu odsłoniętych przewodników w urządzeniu elektronicznym, najlepiej jest umieścić diody TVS w pobliżu regionu, gdzie te przewodniki są narażone na zewnętrzne środowisko. Poniżej pokazano prosty przykład układu z 2-pinowym złączem.

Umieść diody TVS w pobliżu odsłoniętych przewodników, które są zagrożone otrzymaniem impulsu ESD.

Ścieżki PCB posiadają pewną indukcyjność pasożytniczą, która może spowodować wzrost napięcia zaciskowego diody TVS powyżej jej określonego limitu. Ścieżka diody TVS powinna być również stosunkowo krótka w porównaniu do ścieżki transceivera, aby zminimalizować impedancję i zapewnić, że nadmierna energia w przepięciu zostanie rozproszona. Zminimalizuje to indukcyjność pasożytniczą na ścieżce prowadzącej do diody TVS.

Uziemienie

Jeśli to możliwe, dobrym pomysłem jest podłączenie diody TVS do innego obwodu uziemienia niż chroniony komponent. Nie oznacza to jednak dzielenia płaszczyzn uziemienia. Zamiast tego, najbezpieczniejszym typem połączenia jest podłączenie diody TVS do metalowego elementu w uziemieniu obudowy, jeśli jest dostępne, przy czym połączenie zwykle realizowane jest za pomocą ścieżki podłączonej do śruby obudowy lub otworu montażowego. Jeśli to połączenie nie jest dostępne, wówczas można je wykonać z wewnętrzną płaszczyzną. Jednakże, w środowisku, gdzie istnieje ryzyko silnych wyładowań elektrostatycznych, urządzenie powinno być zamknięte w obudowie z bezpiecznym metalowym uziemieniem obudowy, a następnie z połączeniem z ziemią.

Eliminacja elementów pasywnych na ekranowaniu

Niektóre komponenty, takie jak ekranowane złącza, będą posiadały dodatkowe metalowe ekranowanie, które chroni wystawione przewodniki. Ekranowanie na złączach nie jest przeznaczone do ochrony mechanicznej czy termicznej, jego celem jest zapobieganie odbiorowi zakłóceń oraz ochrona przed ESD. Jeśli istnieje ryzyko ESD, wtedy ekranowane złącza mogą być używane razem z diodami TVS. Diodami TVS są podłączone do linii sygnałowych, a ekranowanie na złączu jest bezpośrednio połączone z masą.

Na powyższym obrazie umieściłem bezpośrednie połączenie między masą obudowy a masą sygnału. Typowe podejście polega na umieszczeniu tego połączenia w jednym miejscu w systemie, aby zapewnić jednolity potencjał masy we wszystkich przewodnikach, ale jednocześnie kontrolować regularne prądy zwrotne, aby nie przechodziły przez obudowę. Powiedziałbym, że to samo dotyczy tutaj, tak długo jak GND jest płaszczyzną masy o niskiej impedancji i niskiej indukcyjności. Gdyby to była galwanicznie izolowana część systemu, najlepiej byłoby umieścić to połączenie bliżej korpusu złącza, jak sugeruje powyższy schemat.

W niektórych przypadkach można zauważyć, że ktoś próbuje połączyć ekranowanie z masą przez obwód tłumiący lub równoległy obwód RC. Oba te rozwiązania przeczą całkowicie celowi posiadania złącza ekranowanego. Zamiast tego, należy wykonać bezpośrednie połączenie między ekranowaniem a masą obudowy (jeśli jest dostępna) lub z płaszczyzną masy. Stworzy to bardzo niską impedancję ścieżki do masy, która zapobiega przedostawaniu się energii z zdarzenia ESD do chronionego komponentu. W niektórych przypadkach, gdy będzie problem z kontrolowaniem prądów zwrotnych (takich jak przy masie unoszonej), odpowiednim podejściem jest umieszczenie dużego kondensatora między ekranem a płaszczyzną masy; zapewnia to, że szybkie impulsy ESD mogą być odprowadzane i nie będzie wysokoczęstotliwościowego szumu promieniowanego przez system z powodu jakiejkolwiek różnicy między dwoma masami.

Gdy potrzebujesz tworzyć komponenty, przechwytywać schematy, projektować układ PCB oraz umieszczać diody TVS dla ochrony obwodu, zwróć uwagę na kompletny zestaw funkcji projektowania PCB w Altium Designer^®. Podczas budowania schematów i wyboru diod TVS będziesz mógł zaimplementować układ PCB i techniki uziemienia opisane tutaj, aby zapewnić ochronę ważnych komponentów przed ESD. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.