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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對于工程師來說，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(yīng)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(shù)據(jù)線上，一旦電路中接收到ESD脈沖，就會通過將電流從受保護組件轉(zhuǎn)移開來。確保 PCB 布局可以對瞬態(tài)保護進行優(yōu)化，并且可以防止炸電路板并且保證一個功能良好的設(shè)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(shè)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 pn 半導(dǎo)體結(jié)組成，該結(jié)在瞬態(tài)電壓尖峰期間變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。在正常情況下，TVS 二極管具有高阻抗和極低的漏電流，實際上相當于開路。
瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管是一種常用于保護設(shè)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 pn 半導(dǎo)體結(jié)組成，該結(jié)在瞬態(tài)電壓尖峰期間變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。在正常情況下，TVS 二極管具有高阻抗和極低的漏電流，實際上相當于開路。
當瞬態(tài)電壓抑制器上的電壓上升超過其閾值電壓時，半導(dǎo)體中的雪崩效應(yīng)會導(dǎo)致 pn 結(jié)開始導(dǎo)電，從而提供一條低阻抗路徑，將過大的電流從受保護的設(shè)備中導(dǎo)出。TVS 二極管的響應(yīng)時間非?？?，通常以皮秒表示，因此這些組件可以非常快速地轉(zhuǎn)移強 ESD 脈沖，即使該 ESD 脈沖具有相對較快的上升時間。
二、PCB設(shè)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二極管就會開始導(dǎo)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，可能會導(dǎo)致瞬態(tài)保護從一開始就失效。選擇瞬態(tài)抑制二極管時，你需要了解一些參數(shù)：
1、反向偏置擊穿電壓 (VB)
這是 TVS 二極管開始導(dǎo)通時的反向偏置電壓。一旦 TVS 二極管開始導(dǎo)通，它會將 ESD 脈沖從受保護的組件轉(zhuǎn)移開。
2、鉗位電壓 (VC)
鉗位電壓是 TVS 二極管在超過反向偏置擊穿后將顯著導(dǎo)通的最小電壓。該值定義在指定峰值電流的限制范圍內(nèi)。
通常，較低的 VC 值將為組件提供更多保護，因此應(yīng)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(nèi)，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單：當電路接收到 ESD 脈沖時，該脈沖會很快超過二極管的反向偏置擊穿電壓值。將其任何導(dǎo)體暴露于外部環(huán)境（例如通過連接器）的設(shè)備可以在這些導(dǎo)體上接收 ESD 脈沖。如果這些導(dǎo)體是通向組件的信號線的一部分，則接收到的 ESD 脈沖會將高電壓/高電流脈沖傳輸?shù)浇M件中，這可能會破壞組件。
當 ESD 發(fā)生在信號線上并且信號線上存在 TVS 二極管時，二極管將開始導(dǎo)通，脈沖可以通過二極管。這允許二極管將 ESD 脈沖從受保護電路轉(zhuǎn)移開。典型的連接方式是將陽極接地，這樣 ESD 脈沖就會傳到地里。只要接地區(qū)域存在低阻抗路徑，脈沖就會從受保護的組件轉(zhuǎn)移開。
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TVS 二極管
四、雙向TVS二極管還是單向TVS二極管？
TVS 二極管有兩種類型：雙向和單向。這兩種類型的 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TVS二極管時，要注意一般來說，統(tǒng)稱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，則需要說明。
那么應(yīng)該選擇哪種類型的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提供保護。這就是為什么你有時候會在差分對或者在正負極性之間振蕩的模擬線路上看到雙先鋒TVS二極管。
大部分人應(yīng)該都會更喜歡用雙向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(qū)域可以接受ESD脈沖，就像要保護的信號線一樣。如果接地故障導(dǎo)致接地路徑具有高阻抗，那么阻抗最低的路徑可能是通過單向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，也會有機會保護元器件。
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。下面這個示例中2個雙向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 二極管就會開始導(dǎo)通超過了 TVS 反向偏置擊穿電壓。如果發(fā)生導(dǎo)致電流開始在 GND 平面中流動的 ESD ，只要系統(tǒng)中存在低阻抗接地路徑，電流就應(yīng)該完全從組件轉(zhuǎn)移開。
在接地導(dǎo)體接收 ESD 的情況下，最好使用雙向 TVS 二極管，因為它仍會提供一些保護，而如果 TVS 二極管是單向的，收發(fā)器可能仍會暴露在某些電壓下。雙向 TVS 二極管的首選轉(zhuǎn)移發(fā)生，因為施加的脈沖需要上升到某個閾值（TVS 二極管上半部分的 VB 值）以上，然后才能從 GND 到跡線進行導(dǎo)通。
在 PCB 布局中，應(yīng)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(shè)備中暴露的導(dǎo)體附近，因此最好將 TVS 二極管放置在這些導(dǎo)體暴露于外部環(huán)境的區(qū)域附近。下面顯示了一個帶有 2 針連接器的簡單布局示例。
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將 TVS 二極管放置在有接收 ESD 脈沖危險的裸露導(dǎo)體附近
PCB 走線具有一些 寄生電感，可能導(dǎo)致 TVS 二極管的鉗位電壓增加到其指定限值以上。TVS 二極管的走線也應(yīng)相對于收發(fā)器的走線較短，以最大限度地降低阻抗并確保消散浪涌中的過多能量。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)。這并不意味著應(yīng)該拆分地平面。相反，最安全的連接類型是將 TVS 二極管連接到機箱 接地中的金屬元件（如果可用），通常通過連接到機箱螺釘或安裝孔的跡線進行連接。如果此連接不可用，則可以連接到內(nèi)部平面。但是，在存在強 ESD 風(fēng)險的環(huán)境中，設(shè)備應(yīng)封裝在具有安全金屬底盤接地和接地連接的底盤中。
3、消除屏蔽無源
某些組件（如屏蔽連接器）將具有一些額外的金屬屏蔽層來保護裸露的導(dǎo)體。連接器上的屏蔽并不意味著機械或熱保護，它實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，連接器上的屏蔽層直接接地。
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數(shù)據(jù)線上兩個 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直接連接。典型的方法是將此連接放在系統(tǒng)中的一個位置，以確保所有導(dǎo)體上的接地電位均勻，但仍然可以控制常規(guī)返回電流，使其不會通過機箱。只要 GND 是低阻抗、低電感接地層，同樣適用這個方法。如果這是系統(tǒng)的電隔離區(qū)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，你可能會看到有人試圖通過緩沖電路或并聯(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，控制返回電流會遇到麻煩（例如浮動接地），適當?shù)姆椒ㄊ?span style="color: rgb(255, 204, 0);">在屏蔽層和接地層之間放置一個大電容，這確保可以分流快速 ESD 脈沖，并且不會由于兩個接地之間的任何偏移而從系統(tǒng)輻射高頻噪聲。
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