TVS二極管保護原理和PCB布局技巧
發(fā)布日期:2024-08-09
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對于工程師來(lái)說(shuō)，浪涌保護不僅僅是選擇合適的電源板或者拔下幾根電纜，主要涉及在 PCB 布局中放置瞬態(tài)保護組件并應用明確的接地策略。
TVS 二極管是用于保護PCB布局中組件的常用組件，這些組件放置在數據線(xiàn)上，一旦電路中接收到ESD脈沖，就會(huì )通過(guò)將電流從受保護組件轉移開(kāi)來(lái)。確保 PCB 布局可以對瞬態(tài)保護進(jìn)行優(yōu)化，并且可以防止炸電路板并且保證一個(gè)功能良好的設備。
一、什么是瞬態(tài)抑制二極管及其工作原理？
瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管是一種常用于保護設備免受與靜電放電 (ESD) 相關(guān)的瞬態(tài)事件影響的組件。（不要將TVS管與齊納二極管或肖特基二極管混淆。）它由一個(gè) pn 半導體結組成，該結在瞬態(tài)電壓尖峰期間變?yōu)閷顟B(tài)。在正常情況下，TVS 二極管具有高阻抗和極低的漏電流，實(shí)際上相當于開(kāi)路。
瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管是一種常用于保護設備免受與靜電放電 (ESD) 相關(guān)的瞬態(tài)事件影響的組件。（不要將TVS管與齊納二極管或肖特基二極管混淆。）它由一個(gè) pn 半導體結組成，該結在瞬態(tài)電壓尖峰期間變?yōu)閷顟B(tài)。在正常情況下，TVS 二極管具有高阻抗和極低的漏電流，實(shí)際上相當于開(kāi)路。
當瞬態(tài)電壓抑制器上的電壓上升超過(guò)其閾值電壓時(shí)，半導體中的雪崩效應會(huì )導致 pn 結開(kāi)始導電，從而提供一條低阻抗路徑，將過(guò)大的電流從受保護的設備中導出。TVS 二極管的響應時(shí)間非?？?，通常以皮秒表示，因此這些組件可以非?？焖俚剞D移強 ESD 脈沖，即使該 ESD 脈沖具有相對較快的上升時(shí)間。
二、PCB設計選擇合適的TVS二極管
所有的TVS二極管本質(zhì)上都是二極管：如果你施加足夠大的正向或反向偏置電壓，TVS二極管就會(huì )開(kāi)始導通，當然，并不是所有的TVS二極管都是一樣的。
如果選擇了錯誤的保護，可能會(huì )導致瞬態(tài)保護從一開(kāi)始就失效。選擇瞬態(tài)抑制二極管時(shí)，你需要了解一些參數：
1、反向偏置擊穿電壓 (VB)
這是 TVS 二極管開(kāi)始導通時(shí)的反向偏置電壓。一旦 TVS 二極管開(kāi)始導通，它會(huì )將 ESD 脈沖從受保護的組件轉移開(kāi)。
2、鉗位電壓 (VC)
鉗位電壓是 TVS 二極管在超過(guò)反向偏置擊穿后將顯著(zhù)導通的最小電壓。該值定義在指定峰值電流的限制范圍內。
通常，較低的 VC 值將為組件提供更多保護，因此應選擇 VC，使其小于受保護組件的輸入電壓限制。
3、額定關(guān)斷電壓 (VWM)
這表示反向偏置電壓限制，低于該限制 TVS 二極管將保持絕緣。在額定關(guān)斷電壓內，TVS 二極管具有高阻抗，只有少量泄漏電流。
4、峰值脈沖功率耗散 (PPP)
TVS 二極管需要能夠安全地耗散由瞬態(tài)電壓引起的過(guò)大電流，這由峰值脈沖功率耗散表示。
三、TVS 二極管如何工作？
所有 TVS 二極管的工作原理都很簡(jiǎn)單：當電路接收到 ESD 脈沖時(shí)，該脈沖會(huì )很快超過(guò)二極管的反向偏置擊穿電壓值。將其任何導體暴露于外部環(huán)境（例如通過(guò)連接器）的設備可以在這些導體上接收 ESD 脈沖。如果這些導體是通向組件的信號線(xiàn)的一部分，則接收到的 ESD 脈沖會(huì )將高電壓/高電流脈沖傳輸到組件中，這可能會(huì )破壞組件。
當 ESD 發(fā)生在信號線(xiàn)上并且信號線(xiàn)上存在 TVS 二極管時(shí)，二極管將開(kāi)始導通，脈沖可以通過(guò)二極管。這允許二極管將 ESD 脈沖從受保護電路轉移開(kāi)。典型的連接方式是將陽(yáng)極接地，這樣 ESD 脈沖就會(huì )傳到地里。只要接地區域存在低阻抗路徑，脈沖就會(huì )從受保護的組件轉移開(kāi)。
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TVS 二極管
四、雙向TVS二極管還是單向TVS二極管？
TVS 二極管有兩種類(lèi)型：雙向和單向。這兩種類(lèi)型的 TVS 二極管具有不同的符號，如下所示：
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雙向和單向TVS二極管
在購買(mǎi)TVS二極管時(shí)，要注意一般來(lái)說(shuō)，統稱(chēng)TVS二極管指單向型TVS二極管，如果你需要雙向的TVS二極管嗎，則需要說(shuō)明。
那么應該選擇哪種類(lèi)型的TVS二極管？使用雙向TVS二極管的主要原因是在電路承載正極性和負極性信號時(shí)提供保護。這就是為什么你有時(shí)候會(huì )在差分對或者在正負極性之間振蕩的模擬線(xiàn)路上看到雙先鋒TVS二極管。
大部分人應該都會(huì )更喜歡用雙向TVS二極管，以提供全面的故障保護和ESD保護，這是因為接地區域可以接受ESD脈沖，就像要保護的信號線(xiàn)一樣。如果接地故障導致接地路徑具有高阻抗，那么阻抗最低的路徑可能是通過(guò)單向TVS二極管和你要保護的組件。但是如果TVS二極管是雙向的，即使存在接地故障，也會(huì )有機會(huì )保護元器件。
五、TVS 二極管的 PCB 布局技巧
除了選擇合適的 TVS 二極管外，保護的有效性還取決于 PCB 布局本身。下面這個(gè)示例中2個(gè)雙向TVS二極管并聯(lián)連接到下面的示意圖中保護的電路。示意圖顯示了TVS二極管與MAX3485 收發(fā)器的典型連接：
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TVS 二極管連接的典型示意圖
在此示例中，如果在 D+ 和 D- 線(xiàn)路暴露于外部環(huán)境的位置發(fā)生 ESD ，并且產(chǎn)生相對于 GND 的正電壓，則只要 ESD 電壓達到，TVS 二極管就會(huì )開(kāi)始導通超過(guò)了 TVS 反向偏置擊穿電壓。如果發(fā)生導致電流開(kāi)始在 GND 平面中流動(dòng)的 ESD ，只要系統中存在低阻抗接地路徑，電流就應該完全從組件轉移開(kāi)。
在接地導體接收 ESD 的情況下，最好使用雙向 TVS 二極管，因為它仍會(huì )提供一些保護，而如果 TVS 二極管是單向的，收發(fā)器可能仍會(huì )暴露在某些電壓下。雙向 TVS 二極管的首選轉移發(fā)生，因為施加的脈沖需要上升到某個(gè)閾值（TVS 二極管上半部分的 VB 值）以上，然后才能從 GND 到跡線(xiàn)進(jìn)行導通。
在 PCB 布局中，應遵循一些重要準則以使 TVS 二極管正常工作。這些包括放置、接地以及在屏蔽層上使用任何無(wú)源元件，如電阻或電容。
1、TVS 二極管的放置
由于 ESD 可能發(fā)生在電子設備中暴露的導體附近，因此最好將 TVS 二極管放置在這些導體暴露于外部環(huán)境的區域附近。下面顯示了一個(gè)帶有 2 針連接器的簡(jiǎn)單布局示例。
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將 TVS 二極管放置在有接收 ESD 脈沖危險的裸露導體附近
PCB 走線(xiàn)具有一些 寄生電感，可能導致 TVS 二極管的鉗位電壓增加到其指定限值以上。TVS 二極管的走線(xiàn)也應相對于收發(fā)器的走線(xiàn)較短，以最大限度地降低阻抗并確保消散浪涌中的過(guò)多能量。這將最大限度地減少通向 TVS 二極管的路徑中的寄生電感。
2、接地
如果可能，最好將 TVS 二極管連接到與受保護組件不同的接地網(wǎng)。這并不意味著(zhù)應該拆分地平面。相反，最安全的連接類(lèi)型是將 TVS 二極管連接到機箱 接地中的金屬元件（如果可用），通常通過(guò)連接到機箱螺釘或安裝孔的跡線(xiàn)進(jìn)行連接。如果此連接不可用，則可以連接到內部平面。但是，在存在強 ESD 風(fēng)險的環(huán)境中，設備應封裝在具有安全金屬底盤(pán)接地和接地連接的底盤(pán)中。
3、消除屏蔽無(wú)源
某些組件（如屏蔽連接器）將具有一些額外的金屬屏蔽層來(lái)保護裸露的導體。連接器上的屏蔽并不意味著(zhù)機械或熱保護，它實(shí)際上是為了防止噪聲接收和防止 ESD。如果存在 ESD 危險，則可以將屏蔽連接器與 TVS 二極管一起使用。TVS 二極管連接到信號線(xiàn)，連接器上的屏蔽層直接接地。
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數據線(xiàn)上兩個(gè) TVS 二極管的連接示例
上圖中，在機箱和信號接地之間放置了一個(gè)直接連接。典型的方法是將此連接放在系統中的一個(gè)位置，以確保所有導體上的接地電位均勻，但仍然可以控制常規返回電流，使其不會(huì )通過(guò)機箱。只要 GND 是低阻抗、低電感接地層，同樣適用這個(gè)方法。如果這是系統的電隔離區域，最好將該連接置于更靠近連接器主體的位置，如上圖所示。
在某些情況下，你可能會(huì )看到有人試圖通過(guò)緩沖電路或并聯(lián) RC 電路將屏蔽層接地。這兩者都破壞了使用屏蔽連接器的全部目的。相反，在屏蔽和底盤(pán)接地（如果可用）或接地層之間建立直接連接，這將創(chuàng )建一個(gè)極低阻抗的接地路徑，防止 ESD 事件中的能量到達受保護的組件。在某些情況下，控制返回電流會(huì )遇到麻煩（例如浮動(dòng)接地），適當的方法是在屏蔽層和接地層之間放置一個(gè)大電容，這確?？梢苑至骺焖?ESD 脈沖，并且不會(huì )由于兩個(gè)接地之間的任何偏移而從系統輻射高頻噪聲。
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