TVS二極管保護(hù)電路原理和PCB布局技巧

對于工程師來說，浪涌保護(hù)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(hù)組件并應(yīng)用明確的接地策略 。

TVS 二極管是用于保護(hù)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(huì)通過將電流從受保護(hù)組件轉(zhuǎn)移開來。確保 PCB 布局可以對 瞬態(tài)保護(hù)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(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(hù)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(gè) 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(shí)際上相當(dāng)于開路。

當(dāng)瞬態(tài)電壓抑制器上的電壓上升超過其閾值電壓時(shí)，半導(dǎo)體中的雪崩效應(yīng)會(huì)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(hù)的設(shè)備中導(dǎo)出。 TVS 二極管的響應(yīng)時(shí)間非?？?，通常以皮秒表示，因此這些組件可以非?？焖俚剞D(zhuǎn)移強(qiáng) ESD 脈沖，即使該 ESD 脈沖具有相對較快的上升時(shí)間。

二、PCB設(shè)計(jì)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)開始導(dǎo)通，當(dāng)然，并不是所有的TVS二極管都是一樣的。

如果選擇了錯(cuò)誤的保護(hù)，可能會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)保護(hù)從一開始就失效。選擇瞬態(tài)抑制二極管時(shí)，你需要了解一些參數(shù)：

1、反向偏置擊穿電壓 (VB)

這是 TVS 二極管開始導(dǎo)通時(shí)的反向偏置電壓。一旦 TVS 二極管開始導(dǎo)通，它會(huì)將 ESD 脈沖從受保護(hù)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(hù)，因此應(yīng)選擇 VC，使其小于受保護(hù)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(dāng)電路接收到 ESD 脈沖時(shí)，該脈沖會(huì)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(hào)線的一部分，則接收到的 ESD 脈沖會(huì)將高電壓/高電流脈沖傳輸?shù)浇M件中，這可能會(huì)破壞組件。

當(dāng) ESD 發(fā)生在信號(hào)線上并且信號(hào)線上存在 TVS 二極管時(shí)，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(hù)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(huì)傳到地里。只要接地區(qū)域存在低阻抗路徑，脈沖就會(huì)從受保護(hù)的組件轉(zhuǎn)移開。

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(hào)，如下所示：

雙向和單向TVS二極管

在購買TVS二極管時(shí)，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(fù)極性信號(hào)時(shí)提供保護(hù) 。這就是為什么你有時(shí)候會(huì)在差分對或者在正負(fù)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(huì) 更喜歡用雙向TVS二極管 ， 以提供全面的故障保護(hù)和ESD保護(hù) ，這是因?yàn)榻拥貐^(qū)域可以接受ESD脈沖，就像要保護(hù)的信號(hào)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(hù)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(jī)會(huì)保護(hù)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(hù)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(hù)的電路。示意圖顯示了TVS二極管與MAX3485 收發(fā)器的典型連接：

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(dá)到，TVS 二極管就會(huì)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(dòng)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?yàn)樗詴?huì)提供一些保護(hù)，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(zhuǎn)移發(fā)生，因?yàn)槭┘拥拿}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 到跡線進(jìn)行導(dǎo)通。

在 PCB 布局中，應(yīng)遵循一些重要準(zhǔn)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(gè)帶有 2 針連接器的簡單布局示例。

將 TVS 二極管放置在有接收 ESD 脈沖危險(xiǎn)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(hù)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(jī)箱 接地中的金屬元件 (如果可用)，通常通過連接到機(jī)箱螺釘或安裝孔的跡線進(jìn)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(qiáng) ESD 風(fēng)險(xiǎn)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(hù)裸露的導(dǎo)體。連接器上的屏蔽并不意味著機(jī)械或熱保護(hù)，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(xiǎn)，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(hào)線，連接器上的屏蔽層直接接地。

數(shù)據(jù)線上兩個(gè) TVS 二極管的連接示例

上圖中，在機(jī)箱和信號(hào)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(tǒng)中的一個(gè)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(huì)通過機(jī)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(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(huì)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(gè)極低阻抗的接地路徑，防止 ESD 事件中的能量到達(dá)受保護(hù)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(dāng)?shù)姆椒ㄊ?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(tǒng)輻射高頻噪聲。

審核編輯：湯梓紅