Diretrizes de Design de PCB para Uso de Diodo TVS para Proteção Contra Transientes

Para engenheiros de hardware, a proteção contra surtos vai além de comprar a régua de energia certa ou desplugar alguns cabos. Envolve posicionar estrategicamente componentes de proteção contra transientes no layout da PCB e implementar uma clara estratégia de aterramento. Diodos TVS são componentes comuns usados para proteger componentes em um layout de PCB. Esses componentes são colocados em linhas de dados e operam desviando a corrente de um componente protegido uma vez que um pulso ESD é recebido no circuito. Garantir que o layout da sua PCB esteja otimizado para proteção contra transientes pode significar a diferença entre um dispositivo funcional e uma placa de circuito queimada.

O que é um Diodo TVS e Como Funciona?

Um diodo de supressão de tensão transiente (TVS) é um componente comumente usado para proteger um dispositivo contra eventos transientes associados à descarga eletrostática (ESD). (Não deve ser confundido com diodo zener ou diodo schottky.) Consiste em uma junção semicondutora p-n que se torna condutiva durante um pico de tensão transiente. Em circunstâncias normais, um diodo TVS tem alta impedância com corrente de fuga muito baixa, agindo efetivamente como um circuito aberto.

Quando a tensão no supressor de tensão transitória aumenta além de sua tensão de limiar, o efeito avalanche no semicondutor faz com que a junção p-n comece a conduzir, fornecendo um caminho de baixa impedância que canaliza a corrente excessiva para longe de um dispositivo protegido. O tempo de resposta do diodo TVS é extremamente rápido, muitas vezes expresso em picosegundos, então esses componentes podem desviar muito rapidamente um forte pulso ESD, mesmo que esse pulso ESD tenha um tempo de subida relativamente rápido.

Escolhendo o Diodo TVS Certo para o Seu Projeto

Todos os diodos TVS são basicamente diodos: se você aplicar uma tensão de polarização direta ou reversa grande o suficiente, eles começarão a conduzir. Claro, nem todos os diodos TVS são criados iguais. Escolher o errado para o seu projeto pode tornar a proteção transitória ineficaz desde o início. Há alguns parâmetros que você precisará entender ao escolher um Diodo TVS:

• Tensão de Quebra por Polarização Reversa (VB) - Esta é a tensão de polarização reversa na qual o diodo TVS começará a conduzir. Uma vez que o diodo TVS comece a conduzir, ele desviará o pulso ESD para longe do componente protegido.
• Tensão de Clamp (VC) - A tensão de clamp é a tensão mínima na qual o diodo TVS conduzirá significativamente após a quebra da polarização reversa ser excedida. Esse valor é definido dentro do limite da corrente de pico especificada. Em geral, um valor de VC mais baixo proporcionará mais proteção a um componente, e o VC deve ser selecionado de forma que seja menor que o limite de tensão de entrada do componente protegido.
• Tensão de Suporte Nominal (VWM) - Isso indica o limite de tensão de polarização reversa abaixo do qual o diodo TVS permanecerá isolante. Dentro da Tensão de Suporte Nominal, o diodo TVS tem uma alta impedância com apenas uma pequena quantidade de corrente de fuga.
• Dissipação de Potência de Pico de Pulso (PPP) - O diodo TVS precisa ser capaz de dissipar de forma segura a corrente excessiva causada pela tensão transitória. Isso é indicado pela Dissipação de Potência de Pico de Pulso.

Como Funciona um Diodo TVS?

Todos os diodos TVS funcionam com base em um princípio simples: quando um pulso ESD é recebido em um circuito, o pulso pode rapidamente exceder o valor da tensão de ruptura em polarização reversa do diodo. Dispositivos que expõem qualquer um de seus condutores ao ambiente externo, como através de um conector, podem receber pulsos ESD nesses condutores. Se esses condutores fazem parte de uma linha de sinal que leva a um componente, o pulso ESD recebido transferirá um pulso de alta tensão/alta corrente para o componente. Isso poderia destruir o componente.

Quando ocorre um ESD em uma linha de sinal e um diodo TVS está presente na linha de sinal, o diodo começará a conduzir e o pulso pode passar pelo diodo. Isso permite que o diodo desvie o pulso ESD para longe do circuito protegido. A conexão típica é conectar o ânodo a uma conexão de terra, assim o pulso ESD será passado para a terra. Enquanto houver um caminho de baixa impedância na região de terra, então o pulso será desviado para longe do componente protegido.

Bidirecional ou Unidirecional?

Os diodos TVS vêm em duas variedades: bidirecionais e unidirecionais. Esses dois tipos de diodos TVS têm símbolos diferentes, conforme mostrado abaixo.

Ao procurar por diodos TVS, é importante notar que o termo genérico "diodo TVS" refere-se apenas ao tipo unidirecional. Portanto, se você precisa de um componente bidirecional, é necessário garantir que isso esteja especificado.

Então, qual tipo de diodo TVS você deve escolher? A principal razão para usar um diodo TVS bidirecional é fornecer proteção quando o circuito está conduzindo sinais de polaridade positiva e negativa. É por isso que você pode ver diodos TVS bidirecionais em um par diferencial, ou em uma linha analógica que oscila entre polaridade positiva e negativa.

Sou um firme defensor de que você deve preferir um diodo TVS bidirecional para proteção abrangente contra falhas e proteção ESD. Isso porque a região do terra pode receber pulsos ESD, assim como as linhas de sinal que você deseja proteger. Se houver uma falha de terra que cause um caminho através do terra com alta impedância, então o caminho de menor impedância pode ser através de um diodo unidirecional e pelo componente que você deseja proteger! No entanto, se o diodo for bidirecional, ele tem uma chance de ainda proteger o componente mesmo que haja uma falha de terra.

Dicas de Layout de PCB para Diodo TVS

Além de escolher o diodo TVS correto, a eficácia da proteção é determinada pelo próprio layout da PCB. Um exemplo de diodo TVS bidirecional é conectado em paralelo ao circuito que está protegendo no esquemático abaixo. O esquemático indica uma conexão típica de um diodo TVS a um transceptor MAX3485:

Esquemático da conexão típica de Diodo TVS.

Neste exemplo, se ocorresse um evento de ESD onde as linhas D+ e D- estivessem expostas ao ambiente externo, e esse evento criasse uma tensão positiva em relação ao GND, então o diodo TVS começaria a conduzir, desde que a tensão de ESD excedesse a tensão de ruptura de polarização reversa do TVS. Se houvesse um evento de ESD que causasse o início do fluxo de corrente no plano GND, a corrente deveria ser totalmente desviada dos componentes, desde que haja um caminho de terra de baixa impedância no sistema.

No caso em que o ESD é recebido pelo condutor de terra, um diodo TVS bidirecional é preferível porque ainda oferecerá alguma proteção, enquanto o transceptor ainda pode estar exposto a alguma tensão se o diodo TVS fosse unidirecional. A desvio preferível com o diodo TVS bidirecional ocorre porque o pulso aplicado precisaria subir acima de algum limiar (o valor VB para a metade superior do diodo TVS) antes que a condução possa ocorrer de GND para os traços.

Em um layout de PCB, algumas diretrizes importantes devem ser seguidas para que os diodos TVS funcionem corretamente. Estas incluem colocação, aterramento e uso de passivos como resistores ou capacitores na blindagem.

Colocação de Diodos TVS

Como o ESD pode ocorrer perto de condutores expostos em um dispositivo eletrônico, é melhor colocar diodos TVS perto da região onde esses condutores estão expostos ao ambiente externo. Um exemplo simples de layout com um conector de 2 pinos é mostrado abaixo.

Coloque diodos TVS perto de condutores expostos que estão em perigo de receber um pulso ESD.

As trilhas de PCB possuem alguma indutância parasita que pode fazer com que a tensão de clampeamento do diodo TVS aumente acima do seu limite especificado. A trilha do diodo TVS também deve ser comparativamente curta em relação à trilha do transceptor para minimizar a impedância e garantir que a energia excessiva na sobretensão seja dissipada. Isso minimizará a indutância parasita no caminho que leva ao diodo TVS.

Aterramento

Se possível, é uma boa ideia conectar o diodo TVS a uma rede de terra diferente daquela do componente protegido. Isso não significa que você deve dividir os planos de terra. Em vez disso, o tipo de conexão mais seguro é ter o diodo TVS conectado a um elemento metálico em um aterramento de chassis se estiver disponível, com a conexão normalmente sendo feita com uma trilha conectada a um parafuso de chassis ou um furo de montagem. Se essa conexão não estiver disponível, então a conexão pode ser feita a um plano interno. No entanto, em um ambiente onde há risco de ESD forte, o dispositivo deve ser embalado em um chassis que tenha um aterramento de chassis metálico seguro seguido por uma conexão com a terra.

Eliminar Passivos na Blindagem

Alguns componentes, como conectores blindados, terão uma blindagem metálica adicional que protege os condutores expostos. A blindagem nos conectores não é destinada à proteção mecânica ou térmica, ela é realmente destinada a prevenir a recepção de ruídos e proteger contra ESD (Descarga Eletrostática). Se houver algum perigo de ESD, então conectores blindados podem ser usados juntamente com diodos TVS. Os diodos TVS são conectados às linhas de sinal, e a blindagem no conector é conectada diretamente ao terra.

Na imagem acima, eu fiz uma conexão direta entre os terras do chassis e do sinal. A abordagem típica é colocar essa conexão em um local no sistema de modo que você garanta um potencial de terra uniforme em todos os condutores, mas ainda controle as correntes de retorno regulares para que elas não passem pelo chassis. Eu diria que o mesmo se aplica aqui, desde que GND seja um plano de terra de baixa impedância e baixa indutância. Se esta fosse uma região galvanicamente isolada do sistema, talvez fosse melhor colocar essa conexão mais próxima ao corpo do conector, como é sugerido no esquemático acima.

Existem alguns casos em que você verá alguém tentar conectar o blindagem ao terra através de um circuito snubber ou um circuito RC paralelo. Ambos esses métodos anulam completamente o propósito de ter um conector blindado. Em vez disso, faça uma conexão direta entre a blindagem e o terra do chassis (se disponível) ou com o plano de terra. Isso criará um caminho de baixa impedância para o terra que impede que a energia em um evento de ESD alcance um componente protegido. Em alguns casos, onde haverá dificuldade em controlar as correntes de retorno (como com um terra flutuante), a abordagem apropriada é colocar um grande capacitor entre a blindagem e o plano de terra; isso garante que pulsos rápidos de ESD possam ser desviados e não haverá ruído de alta frequência irradiado do sistema devido a qualquer deslocamento entre os dois terras.

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