Руководящие принципы проектирования печатных плат для использования диода TVS для защиты от переходных процессов

Для инженеров-электронщиков защита от перенапряжений заключается не только в покупке подходящего сетевого фильтра или отключении пары кабелей. Это включает в себя стратегическое размещение компонентов защиты от переходных процессов на плате печатной схемы и реализацию четкой стратегии заземления. Диоды TVS являются обычным компонентом, используемым для защиты компонентов в плате печатной схемы. Эти компоненты устанавливаются на линиях данных и работают, отводя ток от защищаемого компонента, как только в цепи поступает импульс ЭСР. Обеспечение оптимизации вашей платы печатной схемы для защиты от переходных процессов может означать разницу между работоспособным устройством и вышедшей из строя платой.

Что такое диод TVS и как он работает?

Диод транзиторного напряжения (TVS) - это компонент, который обычно используется для защиты устройства от переходных процессов, связанных с электростатическим разрядом (ЭСР). (Не путать с диодом Зенера или диодом Шоттки.) Он состоит из p-n полупроводникового перехода, который становится проводящим во время переходного напряженческого импульса. В обычных условиях диод TVS имеет высокое сопротивление с очень низким током утечки, эффективно действуя как разомкнутая цепь.

Когда напряжение на ограничителе переходных напряжений повышается выше его порогового напряжения, лавинный эффект в полупроводнике заставляет p-n переход начать проводить, обеспечивая путь с низким импедансом, который отводит избыточный ток от защищаемого устройства. Время отклика диода TVS чрезвычайно быстрое, часто выражаемое в пикосекундах, поэтому эти компоненты могут очень быстро отвести сильный импульс ЭСР, даже если этот импульс ЭСР имеет относительно быстрое время нарастания.

Выбор подходящего диода TVS для вашей схемы

Все диоды TVS по сути являются диодами: если приложить достаточно большое прямое или обратное напряжение смещения, они начнут проводить. Конечно, не все диоды TVS созданы одинаковыми. Выбор неправильного для вашей схемы может сделать защиту от переходных процессов неэффективной с самого начала. Есть несколько параметров, которые вам нужно понять при выборе диода TVS:

• Напряжение пробоя при обратном смещении (VB) - Это напряжение обратного смещения, при котором диод TVS начнет проводить. Как только диод TVS начинает проводить, он будет отводить импульс ЭСР от защищаемого компонента.
• Напряжение зажима (VC) - Напряжение зажима - это минимальное напряжение, при котором диод TVS начинает значительно проводить после превышения обратного пробоя. Это значение определяется в пределах указанного пикового тока. В общем, более низкое значение VC обеспечит большую защиту компоненту, и VC следует выбирать таким образом, чтобы оно было меньше предельного входного напряжения защищаемого компонента.
• Номинальное напряжение удержания (VWM) - Это указывает на предельное значение обратного напряжения, ниже которого диод TVS остается изолирующим. В пределах номинального напряжения удержания диод TVS имеет высокое сопротивление с небольшим количеством тока утечки.
• Мощность рассеивания пикового импульса (PPP) - Диод TVS должен быть способен безопасно рассеивать избыточный ток, вызванный переходным напряжением. Это указывается мощностью рассеивания пикового импульса.

Как работает диод TVS?

Все диоды TVS работают по простому принципу: когда на цепь поступает импульс ESD, этот импульс может очень быстро превысить значение напряжения пробоя обратного смещения для диода. Устройства, которые подвергают любые из своих проводников воздействию внешней среды, например, через разъем, могут получать импульсы ESD на эти проводники. Если эти проводники являются частью сигнальной линии, ведущей к компоненту, полученный импульс ESD передаст в компонент импульс высокого напряжения/высокого тока. Это может уничтожить компонент.

Когда на сигнальной линии происходит ESD и на сигнальной линии присутствует диод TVS, диод начнет проводить, и импульс может пройти через диод. Это позволяет диоду отвести импульс ESD от защищаемой цепи. Типичное подключение заключается в соединении анода с заземлением, так что импульс ESD будет передан в землю. Пока в области заземления есть путь с низким импедансом, импульс будет отведен от защищаемого компонента.

Двунаправленные или однонаправленные?

Диоды TVS бывают двух типов: двунаправленные и однонаправленные. Эти два типа диодов TVS имеют разные символы, как показано ниже.

При выборе диодов TVS важно помнить, что общий термин "диод TVS" относится только к унидирекциональному типу. Поэтому, если вам нужен бидирекциональный компонент, убедитесь, что это указано.

Так какой тип диода TVS вам выбрать? Основная причина использования бидирекционального диода TVS - это защита, когда цепь передает сигналы положительной и отрицательной полярности. Вот почему вы можете увидеть бидирекциональные диоды TVS на дифференциальной паре или на аналоговой линии, которая колеблется между положительной и отрицательной полярностью.

Я твердо убежден, что вам следует предпочесть бидирекциональный диод TVS для всесторонней защиты от неисправностей и защиты от электростатических разрядов. Это потому, что область заземления может получать импульсы ESD так же, как и сигнальные линии, которые вы хотите защитить. Если происходит замыкание на землю, из-за которого путь через землю имеет высокое сопротивление, то путь с наименьшим сопротивлением может быть через унидирекциональный диод и через компонент, который вы хотите защитить! Однако, если диод бидирекциональный, у него есть шанс все еще защитить компонент, даже если есть замыкание на землю.

Советы по размещению диодов TVS на печатной плате

Помимо выбора подходящего диода TVS, эффективность защиты определяется самой платой PCB. В качестве примера, двунаправленный диод TVS подключается параллельно к защищаемой схеме, как показано на схеме ниже. На схеме указано типичное подключение диода TVS к передатчику MAX3485:

Схема типичного подключения диода TVS.

В данном примере, если произойдет событие ESD, при котором линии D+ и D- подвергнутся воздействию внешней среды, и это событие создаст положительное напряжение относительно GND, то диод TVS начнет проводить, как только напряжение ESD превысит напряжение обратного пробоя TVS. Если событие ESD вызовет начало тока в плоскости GND, ток должен быть полностью отведен от компонентов, при условии наличия пути с низким импедансом к земле в системе.

В случае, когда ЭСР принимается заземляющим проводником, предпочтительнее использовать двунаправленный диод TVS, поскольку он все равно обеспечит некоторую защиту, в то время как при использовании однонаправленного диода TVS трансивер все еще может быть подвержен некоторому напряжению. Предпочтительное отклонение с двунаправленным диодом TVS происходит потому, что приложенный импульс должен превысить некоторый порог (значение VB для верхней части диода TVS) перед тем, как может начаться проводимость от GND к дорожкам.

При разработке печатной платы следует соблюдать несколько важных рекомендаций, чтобы диоды TVS функционировали корректно. К ним относятся размещение, заземление и использование любых пассивных компонентов, таких как резисторы или конденсаторы для экранирования.

Размещение диодов TVS

Поскольку ЭСР может произойти вблизи открытых проводников в электронном устройстве, лучше всего устанавливать диоды TVS вблизи области, где эти проводники подвергаются воздействию внешней среды. Ниже показан простой пример размещения с 2-контактным разъемом.

Размещайте диоды TVS рядом с открытыми проводниками, которые находятся в опасности получения импульса ЭСР.

Дорожки печатной платы имеют некоторую паразитную индуктивность, которая может вызвать увеличение напряжения зажима диода TVS выше его указанного предела. Трасса диода TVS также должна быть сравнительно короткой по отношению к трассе трансивера, чтобы минимизировать импеданс и обеспечить рассеивание избыточной энергии в скачке напряжения. Это поможет минимизировать паразитную индуктивность на пути к диоду TVS.

Заземление

По возможности, хорошей идеей будет подключить диод TVS к другой сети заземления, чем защищаемый компонент. Это не означает, что нужно разделять земляные плоскости. Вместо этого, самым безопасным типом соединения является подключение диода TVS к металлическому элементу в заземлении шасси, если оно доступно, причём соединение обычно выполняется с помощью дорожки, подключенной к винту шасси или монтажному отверстию. Если такое соединение недоступно, то подключение может быть выполнено к внутренней плоскости. Однако, в условиях, где существует риск сильного ЭСР, устройство должно быть упаковано в корпус с безопасным металлическим заземлением шасси, за которым следует заземление через землю.

Устранение пассивных элементов на экранировании

Некоторые компоненты, такие как экранированные соединители, будут иметь дополнительное металлическое экранирование, которое защищает открытые проводники. Экранирование на соединителях не предназначено для механической или тепловой защиты, его настоящее предназначение - предотвращение приема помех и защита от электростатических разрядов (ESD). Если существует опасность ESD, то экранированные соединители могут использоваться вместе с диодами TVS. Диоды TVS подключаются к сигнальным линиям, а экранирование на соединителе напрямую подключается к земле.

На приведенном выше изображении я создал прямое соединение между шасси и земляными сигналами. Типичный подход заключается в том, чтобы разместить это соединение в одном месте системы, чтобы вы обеспечили одинаковый потенциал земли на всех проводниках, но при этом все еще контролировали обычные возвратные токи, чтобы они не проходили через шасси. Я бы сказал, что то же самое применимо здесь, до тех пор пока GND является плоскостью земли с низким сопротивлением и низкой индуктивностью. Если бы это была гальванически изолированная область системы, возможно, было бы лучше разместить это соединение ближе к корпусу соединителя, как это подразумевается на приведенной выше схеме.

В некоторых случаях вы можете увидеть, как кто-то пытается соединить экранирование с землей через снабберную цепь или параллельную RC-цепь. Оба этих метода полностью нивелируют смысл наличия экранированного соединителя. Вместо этого следует выполнить прямое соединение между экранированием и шасси (если оно доступно) или с земляной плоскостью. Это создаст путь с очень низким импедансом к земле, который предотвращает достижение защищенного компонента энергией в случае электростатического разряда (ESD). В некоторых случаях, когда будет сложно контролировать возвратные токи (например, при плавающем заземлении), подходящим решением будет установка большого конденсатора между экраном и земляной плоскостью; это обеспечивает быстрое шунтирование импульсов ESD и исключает излучение высокочастотных помех от системы из-за любого смещения между двумя заземлениями.

Когда вам нужно создать компоненты, захватить схемы, создать макет печатной платы и разместить диоды TVS для защиты цепи, обратите внимание на полный набор функций проектирования печатных плат в Altium Designer. Пока вы создаете свои схемы и выбираете диоды TVS, вы сможете реализовать макет печатной платы и методы заземления, описанные здесь, чтобы обеспечить защиту важных компонентов от ЭСР. Когда вы закончите свой проект и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей, которые предоставляет Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.