Erfahren Sie, wie TVS-Dioden funktionieren, welche Bedeutung sie beim Schutz empfindlicher elektronischer Bauelemente vor ESD-Impulsen spielen und wie man sie für optimale PCB-Layouts auswählt und anpasst. Informieren Sie sich über wichtige Faktoren wie Durchbruchspannung, Clamping-Spannung und ideale Platzierung zur Verbesserung des Schutzes.
Für Ingenieure ist Überspannungsschutz nicht nur die Auswahl der richtigen Stromversorgungsplatine oder das Ausstecken von Kabeln. Es erfordert die Platzierung von Transientenschutzkomponenten innerhalb des Leiterplattenlayouts und die Anwendung klarer Erdungsstrategien. TVS-Dioden sind häufig verwendete Komponenten zum Schutz von Bereichen einer Leiterplatte, insbesondere in Datenleitungen. Bei Empfang eines ESD-Impulses leiten sie den Strom von den geschützten Komponenten ab. Es ist entscheidend, das Leiterplattenlayout so zu gestalten, dass der Transientenschutz optimiert wird, um Schäden zu vermeiden und eine ordnungsgemäße Gerätefunktion sicherzustellen.
Ein TVS-Dioden wird hauptsächlich eingesetzt, um Geräte vor transienten Ereignissen, insbesondere ESD-bedingten Spannungsspitzen, zu schützen. TVS-Dioden werden häufig mit Zener oder Schottky-Dioden -Dioden verwechselt, doch sie sind unterschiedlich. Aus einer p-n-Übergangshalbleiterstruktur aufgebaut, leitet eine TVS-Diode während transienter Spannungsspitzen. Im Normalbetrieb verbleibt sie in hochohmiger Zustand mit minimalem Leckstrom. Sobald die transiente Spannung die Durchbruchschwelle überschreitet, tritt ein Avalanchedurchbruch auf, wodurch Strom durch die Diode fließen kann. Auf diese Weise wird der überschüssige Strom von empfindlichen Bauelementen umgeleitet.
TVS-Dioden reagieren äußerst schnell, oft im Pikosekundenbereich, wodurch sie besonders effektiv bei der Handhabung schneller ESD-Impulse mit steilen Anstiegen sind.
Alle TVS-Dioden funktionieren ähnlich: Wenn ein transienter Spannungsimpuls auftritt, übersteigt dieser schnell die Durchbruchspannung der Diode in Sperrrichtung, wodurch sie leitend wird. Allerdings sind nicht alle TVS-Dioden gleich, und die falsche Wahl des Schutzes kann zu einer unwirksamen transienten Schutzmaßnahme führen. Beim Auswählen einer TVS-Diode sollten folgende wichtige Parameter berücksichtigt werden:
Durchbruchspannung in Sperrrichtung (VB): Die Spannung, bei welcher die TVS-Diode zu leiten beginnt.
Klemmspannung (VC): Die Spannung, bei welcher die TVS-Diode wesentlich leitet und den Transienten ableitet. Eine niedrigere Klemmspannung bietet besseren Schutz.
Arbeits-Sperrspannung (VWM): Die maximale Spannung in Sperrrichtung, unterhalb derer die TVS-Diode nicht leitend bleibt, eine hohe Impedanz aufweist und nur einen geringen Leckstrom zeigt.
Spitzenpulsleistung (PPP): Die Leistung, die die TVS-Diode während eines transienten Ereignisses sicher ableiten kann.
Das Prinzip hinter der Funktion von TVS-Dioden ist einfach: Wenn die Schaltung einen ESD-Impuls erhält, überschreitet dieser schnell die Sperrspannung der Diode. Exponierte Leiter, wie beispielsweise solche, die mit externen Anschlüssen verbunden sind, sind anfällig für Esd impulse. Wenn diese Leiter Signale zu Bauelementen führen, kann der ESD-Impuls eine hohe Spannung/Stromstärke auf das Bauelement übertragen und dieses möglicherweise beschädigen.
Bei Vorhandensein einer TVS-Diode wird der Impuls über die Diode abgeleitet, welche einen niederohmigen Pfad zur Masse bereitstellt. Üblicherweise ist die Anode geerdet, sodass der ESD-Impuls zum Massepotential abgeleitet werden kann, vorausgesetzt ein niederohmiger Erdungspfad ist verfügbar.
TVS-Dioden sind in zwei Arten erhältlich: bidirektionale und unidirektionale Dioden, die unterschiedliche Zwecke erfüllen:
Bidirektionale TVS-Dioden werden eingesetzt, wenn die Schaltung sowohl positive als auch negative Signale führt, wie beispielsweise bei Differenzpaaren oder bidirektional schwingenden analogen Schaltungen. Diese Dioden bieten umfassenden ESD-Schutz, einschließlich während Erdungsfehlern.
Unidirektionale TVS-Dioden bieten Schutz, wenn nur eine einzige Polarität vorliegt. Obwohl diese Dioden für typische Schaltungen Schutz bieten, können Erdungsfehler die Bauelemente einer gewissen Spannung aussetzen.
Neben der Auswahl der richtigen TVS-Diode hängt die Effektivität des Schutzes stark vom Leiterplattenlayout selbst ab. Die folgenden Richtlinien helfen, eine optimale Leistung der TVS-Diode sicherzustellen:
Platzierung: TVS-Dioden sollten in der Nähe von exponierten Leitern platziert werden, die ESD-Ereignissen ausgesetzt sein können, wie z. B. Steckverbinder oder offene Signalleitungen. Die Minimierung der Leiterbahnlänge zwischen der TVS-Diode und den exponierten Leitern reduziert die parasitäre Induktivität und verbessert die Ansprechzeit.
Erdung: Idealerweise sollten TVS-Dioden mit einer separaten Massefläche verbunden werden, die von der Masse des geschützten Bauteils getrennt ist. Ist dies nicht möglich, sollte eine Verbindung zur Chassis-Masse über Leiterbahnen zu metallischen Elementen wie Schrauben oder Montagelöchern hergestellt werden. Eine niederohmige Masseverbindung ist entscheidend, um die transiente Energie schnell abzuleiten.
Vermeidung passiver Abschirmung: Einige Bauteile, wie abgeschirmte Steckverbinder, sind darauf ausgelegt, ESD und Störgeräusche zu verhindern. Diese sollten zusammen mit TVS-Dioden eingesetzt werden, um einen vollständigen Schutz zu gewährleisten. Die Abschirmung eines Steckverbinders sollte direkt mit dem Chassis oder der Massefläche verbunden werden, um einen niederohmigen Pfad für den transienten Strom sicherzustellen.
Indem diese Richtlinien befolgt werden, können TVS-Dioden optimal genutzt werden, um in Schaltungsdesigns eine effiziente Über- und ESD-Spannungssicherung zu gewährleisten.
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