Hướng dẫn Thiết kế PCB Sử dụng Diode TVS cho Bảo vệ Chống Sóng Điện áp Đột biến

Đối với các kỹ sư phần cứng, bảo vệ chống sét không chỉ là mua dải nguồn đúng hay rút một vài cáp. Nó bao gồm việc đặt các thành phần bảo vệ chống dòng điện xung kích một cách chiến lược trong bố cục PCB và thực hiện một chiến lược nối đất rõ ràng. Diode TVS là một thành phần phổ biến được sử dụng để bảo vệ các thành phần trong bố cục PCB. Những thành phần này được đặt trên các đường dữ liệu và chúng hoạt động bằng cách chuyển dòng điện ra khỏi thành phần được bảo vệ một khi một xung ESD được nhận trong mạch. Đảm bảo rằng bố cục PCB của bạn được tối ưu hóa cho bảo vệ chống xung kích có thể có nghĩa là sự khác biệt giữa một thiết bị hoạt động và một bảng mạch bị cháy.

Diode TVS là gì và Nó Hoạt động Như Thế Nào?

Một diode giảm áp xung (TVS) là một thành phần thường được sử dụng để bảo vệ thiết bị khỏi các sự kiện xung kích liên quan đến phóng điện tĩnh điện (ESD). (Không nên nhầm lẫn với diode zener hoặc diode schottky.) Nó bao gồm một mối nối bán dẫn p-n trở nên dẫn điện trong suốt một đợt tăng áp xung kích. Trong hoàn cảnh bình thường, một diode TVS có trở kháng cao với dòng rò rất thấp, hiệu quả như một mạch mở.

Khi điện áp trên bộ giảm áp điện áp nhất thời tăng lên vượt qua điện áp ngưỡng của nó, hiệu ứng xung lũ trong bán dẫn khiến cho khớp nối p-n bắt đầu dẫn điện, tạo ra một đường dẫn có trở kháng thấp để chuyển dòng điện dư thừa ra khỏi thiết bị được bảo vệ. Thời gian phản ứng của diode TVS cực kỳ nhanh, thường được biểu thị bằng picogiây, vì vậy những linh kiện này có thể nhanh chóng chuyển hướng một xung ESD mạnh, ngay cả khi xung ESD đó có thời gian tăng nhanh tương đối.

Chọn Diode TVS Phù Hợp Cho Thiết Kế Của Bạn

Tất cả các diode TVS cơ bản đều là diode: nếu bạn áp dụng một điện áp lệch pha tiến hoặc lùi đủ lớn, chúng sẽ bắt đầu dẫn điện. Tất nhiên, không phải tất cả các diode TVS đều được tạo ra như nhau. Chọn nhầm một cái không phù hợp với thiết kế của bạn có thể khiến bảo vệ nhất thời trở nên không hiệu quả ngay từ đầu. Có một số thông số mà bạn cần hiểu khi chọn Diode TVS:

• Điện Áp Đảo Chiều Phá Vỡ (VB) - Đây là điện áp lệch pha ngược mà tại đó diode TVS sẽ bắt đầu dẫn điện. Một khi diode TVS bắt đầu dẫn điện, nó sẽ chuyển hướng xung ESD ra khỏi linh kiện được bảo vệ.
• Điện Áp Kẹp (VC) - Điện áp kẹp là điện áp tối thiểu mà diode TVS bắt đầu dẫn điện đáng kể sau khi vượt quá điểm đột phá phân cực ngược. Giá trị này được xác định trong giới hạn của dòng điện đỉnh được chỉ định. Nói chung, một giá trị VC thấp hơn sẽ cung cấp nhiều bảo vệ hơn cho thành phần, và VC nên được chọn sao cho nó nhỏ hơn giới hạn điện áp đầu vào của thành phần được bảo vệ.
• Điện Áp Chịu Đựng Định Mức (VWM) - Điều này chỉ giới hạn điện áp phân cực ngược mà dưới đó diode TVS sẽ giữ trạng thái cách điện. Trong Điện Áp Chịu Đựng Định Mức, diode TVS có trở kháng cao với chỉ một lượng nhỏ dòng rò.
• Công Suất Xung Đỉnh Tiêu Tán (PPP) - Diode TVS cần có khả năng tiêu tán an toàn dòng điện quá mức do điện áp xung gây ra. Điều này được chỉ ra bởi Công Suất Xung Đỉnh Tiêu Tán.

Diode TVS Hoạt Động Như Thế Nào?

Tất cả các diode TVS hoạt động dựa trên một nguyên tắc đơn giản: khi một xung ESD được nhận trên mạch, xung này có thể nhanh chóng vượt quá giá trị điện áp đánh thủng ngược của diode. Các thiết bị mà lộ bất kỳ dẫn điện nào ra môi trường bên ngoài, chẳng hạn qua một kết nối, có thể nhận được xung ESD trên những dẫn điện đó. Nếu những dẫn điện này là một phần của đường tín hiệu dẫn đến một linh kiện, xung ESD nhận được sẽ chuyển một xung điện áp cao/dòng điện cao vào linh kiện. Điều này có thể phá hủy linh kiện.

Khi ESD xảy ra trên một đường tín hiệu và có một diode TVS trên đường tín hiệu đó, diode sẽ bắt đầu dẫn điện và xung có thể đi qua diode. Điều này cho phép diode chuyển hướng xung ESD ra khỏi mạch được bảo vệ. Kết nối điển hình là kết nối anode với một kết nối đất, vì vậy xung ESD sẽ được chuyển vào đất. Miễn là có một đường dẫn trở kháng thấp trong khu vực đất, thì xung sẽ được chuyển hướng ra khỏi linh kiện được bảo vệ.

Điều chỉnh hai chiều hay một chiều?

Diode TVS có hai loại: hai chiều và một chiều. Hai loại diode TVS này có các biểu tượng khác nhau như được hiển thị dưới đây.

Khi mua diode TVS, điều quan trọng cần lưu ý là thuật ngữ "diode TVS" chỉ ám chỉ loại một chiều. Vì vậy, nếu bạn cần một linh kiện hai chiều, bạn cần đảm bảo điều này được chỉ rõ.

Vậy bạn nên chọn loại diode TVS nào? Lý do chính để sử dụng diode TVS hai chiều là để cung cấp bảo vệ khi mạch mang tín hiệu cực dương và cực âm. Đây là lý do tại sao bạn có thể thấy diode TVS hai chiều trên một cặp vi sai, hoặc trên một đường tín hiệu tương tự dao động giữa cực dương và cực âm.

Tôi tin rằng bạn nên ưu tiên sử dụng diode TVS hai chiều để bảo vệ toàn diện khỏi lỗi và bảo vệ ESD. Điều này là bởi vì khu vực tiếp đất có thể nhận được xung ESD, giống như các đường tín hiệu bạn muốn bảo vệ. Nếu có một lỗi tiếp đất khiến đường đi qua tiếp đất có trở kháng cao, thì đường đi có trở kháng thấp nhất có thể là qua một diode một chiều và qua linh kiện bạn muốn bảo vệ! Tuy nhiên, nếu diode là hai chiều, nó có cơ hội bảo vệ linh kiện ngay cả khi có lỗi tiếp đất.

Mẹo Thiết Kế PCB cho Diode TVS

Ngoài việc chọn diode TVS phù hợp, hiệu quả của việc bảo vệ còn được quyết định bởi bản thân bố trí PCB. Một ví dụ về diode TVS hai chiều được kết nối song song với mạch mà nó bảo vệ trong sơ đồ dưới đây. Sơ đồ chỉ ra một kết nối điển hình của diode TVS với MAX3485 transceiver:

Sơ đồ kết nối điển hình của Diode TVS.

Trong ví dụ này, nếu một sự kiện ESD xảy ra khi các đường D+ và D- tiếp xúc với môi trường bên ngoài, và sự kiện này tạo ra một điện áp dương so với GND, thì diode TVS sẽ bắt đầu dẫn điện miễn là điện áp ESD vượt quá điện áp đánh thủng ngược của TVS. Nếu có một sự kiện ESD khiến dòng điện bắt đầu chảy trong mặt phẳng GND, dòng điện này nên được hoàn toàn chuyển hướng khỏi các linh kiện miễn là có một đường dẫn GND có trở kháng thấp trong hệ thống.

Trong trường hợp ESD được tiếp nhận bởi dây dẫn mặt đất, một diode TVS hai chiều là lựa chọn ưu tiên vì nó vẫn cung cấp một số mức độ bảo vệ, trong khi bộ thu phát vẫn có thể tiếp xúc với một số điện áp nếu diode TVS là một chiều. Sự chuyển hướng ưu tiên với diode TVS hai chiều xảy ra bởi vì xung áp dụng cần phải tăng lên trên một ngưỡng nhất định (giá trị VB cho nửa trên của diode TVS) trước khi dẫn điện có thể xảy ra từ GND đến các đường dẫn.

Trong bố cục PCB, một số hướng dẫn quan trọng cần được tuân theo để diode TVS hoạt động chính xác. Điều này bao gồm việc đặt vị trí, nối đất, và sử dụng bất kỳ linh kiện phụ trợ nào như điện trở hoặc tụ điện trên lớp chắn.

Đặt Vị Trí Của Diode TVS

Vì ESD có thể xảy ra gần các dẫn điện tiếp xúc với môi trường bên ngoài trong thiết bị điện tử, nên đặt diode TVS gần khu vực mà những dẫn điện đó tiếp xúc với môi trường bên ngoài. Một ví dụ bố cục đơn giản với một kết nối 2 chân được hiển thị dưới đây.

Đặt diode TVS gần các dẫn điện tiếp xúc với nguy cơ nhận xung ESD.

Các đường mạch PCB có một số độ tự cảm nhiễu có thể khiến điện áp kẹp của diode TVS tăng lên trên giới hạn quy định của nó. Đường mạch của diode TVS cũng nên tương đối ngắn so với đường mạch của bộ thu phát để giảm thiểu trở kháng và đảm bảo rằng năng lượng dư thừa trong cú sốc được tiêu tán. Điều này sẽ giảm thiểu độ tự cảm nhiễu trên đường dẫn đến diode TVS.

Nối đất

Nếu có thể, việc kết nối diode TVS với một mạng đất khác so với linh kiện được bảo vệ là một ý tưởng tốt. Điều này không có nghĩa là bạn nên chia tách các mặt đất. Thay vào đó, loại kết nối an toàn nhất là có diode TVS được kết nối với thành phần kim loại trong một đất vỏ nếu có thể, với kết nối thường được thực hiện bằng một đường mạch kết nối với ốc vít vỏ hoặc một lỗ gắn. Nếu kết nối này không khả dụng, thì kết nối có thể được thực hiện với một mặt phẳng bên trong. Tuy nhiên, trong môi trường có nguy cơ ESD mạnh, thiết bị nên được đóng gói trong một vỏ có đất vỏ kim loại an toàn tiếp theo là kết nối với đất.

Loại bỏ Các Linh Kiện Thụ Động trên Lớp Chắn

Một số linh kiện như bộ kết nối có chắn sẽ có thêm lớp kim loại bảo vệ các dẫn điện tiếp xúc. Việc chắn trên bộ kết nối không nhằm mục đích bảo vệ cơ học hay nhiệt, mà thực sự nhằm mục đích ngăn chặn sự nhận nhiễu và bảo vệ chống lại ESD. Nếu có nguy cơ về ESD, thì bộ kết nối có chắn có thể được sử dụng cùng với diode TVS. Các diode TVS được kết nối với các đường tín hiệu, và lớp chắn trên bộ kết nối được kết nối trực tiếp với mặt đất.

Trong hình ảnh trên, tôi đã tạo một kết nối trực tiếp giữa mặt đất của khung máy và mặt đất tín hiệu. Cách tiếp cận thông thường là đặt kết nối này tại một vị trí trong hệ thống để bạn đảm bảo tiềm năng mặt đất đồng nhất trên tất cả các dẫn điện, nhưng bạn vẫn kiểm soát dòng điện trở lại bình thường sao cho chúng không đi qua khung máy. Tôi sẽ nói rằng điều tương tự áp dụng ở đây miễn là GND là một mặt đất có trở kháng thấp, cảm kháng thấp. Nếu đây là một khu vực cô lập galvanic của hệ thống, có lẽ tốt nhất là đặt kết nối đó gần hơn với thân bộ kết nối, như được ngụ ý trong sơ đồ trên.

Có một số trường hợp bạn sẽ thấy ai đó cố gắng kết nối lớp vỏ bảo vệ với mặt đất thông qua một mạch snubber hoặc một mạch RC song song. Cả hai phương pháp này đều làm mất đi mục đích chính của việc có một kết nối bảo vệ được che chắn. Thay vào đó, hãy tạo một kết nối trực tiếp giữa lớp vỏ bảo vệ và mặt đất của khung máy (nếu có) hoặc với mặt đất chung. Điều này sẽ tạo ra một đường dẫn có trở kháng rất thấp tới mặt đất, ngăn chặn năng lượng trong sự kiện phóng điện tĩnh điện (ESD) từ việc tiếp cận một linh kiện được bảo vệ. Trong một số trường hợp, nơi mà việc kiểm soát dòng điện trở lại gặp khó khăn (như với một mặt đất nổi), phương pháp phù hợp là đặt một tụ điện lớn giữa lớp vỏ bảo vệ và mặt đất chung; điều này đảm bảo các xung ESD nhanh có thể được shunt và sẽ không có tiếng ồn tần số cao được phát ra từ hệ thống do bất kỳ sự chênh lệch nào giữa hai mặt đất.

Khi bạn cần tạo các thành phần, thu thập sơ đồ mạch, tạo bố cục PCB của bạn và đặt các diode TVS để bảo vệ mạch, hãy tìm đến bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ trong Altium Designer^®. Khi bạn xây dựng sơ đồ mạch và chọn diode TVS, bạn sẽ có thể thực hiện bố cục PCB và kỹ thuật nối đất được trình bày ở đây để đảm bảo bảo vệ các thành phần quan trọng khỏi ESD. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365^™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ dự án của mình.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.