اصل حفاظت TVS و نکات طراحی PCB

در این مطلب بیاموزید که چگونه دیودهای TVS کار می‌کنند، اهمیت آن‌ها در حفاظت از اجزای حساس الکترونیکی در برابر پالس‌های ESD، و نحوه انتخاب و بهینه‌سازی آن‌ها برای طراحی‌های PCB. عوامل کلیدی مانند ولتاژ شکستن، ولتاژ کلمپ کردن و محل بهینه قرارگیری برای افزایش حفاظت را بررسی کنید.

برای مهندسان، حفاظت در برابر اضافه ولتاژ تنها به معنای انتخاب مناسب برد برق یا قطع کابل‌ها نیست. این موضوع شامل قرار دادن اجزای حفاظت گذرا در طراحی PCB و به کارگیری استراتژی‌های ارتینگ مناسب است. دیودهای TVS اجزای رایجی هستند که برای حفاظت از قطعات یک مدار چاپی (PCB)، به ویژه در خطوط داده استفاده می‌شوند. در هنگام دریافت یک پالس تخلیه الکترواستاتیک (ESD)، جریان را از مسیر اجزای تحت حفاظت منحرف می‌کنند. بهینه‌سازی طرح‌بندی مدار چاپی به منظور حفاظت در برابر ولتاژهای گذرا ضروری است تا از آسیب دیدن و همچنین عملکرد نادرست دستگاه جلوگیری شود.

1. دیود حذف کننده ولتاژ گذرا (TVS) چیست و چگونه کار می‌کند؟

دیود TVS عمدتاً برای حفاظت تجهیزات از رویدادهای ولتاژ گذرا، به ویژه نویزهای ناشی از تخلیه الکترواستاتیک (ESD) استفاده می‌شود. دیودهای TVS اغلب با دیود زنر اشتباه گرفته می‌شوند، اما متفاوت هستند. دیود TVS از یک نیمه‌رسانا با پیوند pn تشکیل شده است و در زمان قله‌های ولتاژ گذرا، جریان را انتقال می‌دهد. در شرایط عادی، این دیود در حالت امپدانس بالا با جریان نشتی بسیار کمی قرار دارد. هنگامی که ولتاژ گذرا از آستانه شکستن خود فراتر رود، شکستن آوالانش رخ می‌دهد و اجازه می‌دهد جریان از طریق دیود عبور کند و بنابراین جریان اضافی از اجزای حساس منحرف شود. زنر یا دیود شاتکی اما آنها متفاوت هستند. دیود TVS از یک نیمه‌رسانا با پیوند pn تشکیل شده است و در زمان قله‌های ولتاژ گذرا، جریان را انتقال می‌دهد. در شرایط عادی، این دیود در حالت امپدانس بالا با جریان نشتی بسیار کمی قرار دارد. هنگامی که ولتاژ گذرا از آستانه شکستن خود فراتر رود، شکستن آوالانش رخ می‌دهد و اجازه می‌دهد جریان از طریق دیود عبور کند و بنابراین جریان اضافی از اجزای حساس منحرف شود.

دیودهای TVS بسیار سریع واکنش نشان می‌دهند، اغلب در محدوده پیکوثانیه، که این امر باعث ایجاد موثر بودن بالایی در مواجهه با پالس‌های ESD سریع با زمان‌های صعودی کوتاه می‌شود.

2. انتخاب دیود TVS مناسب برای طراحی PCB

تمام دیودهای TVS به شکل مشابه عمل می‌کنند: هنگامی که یک نوسان ولتاژی رخ می‌دهد، به سرعت ولتاژ شکست معکوس دیود را فراتر می‌رود و باعث هدایت جریان می‌شود. با این حال، تمام دیودهای TVS یکسان نیستند و انتخاب اشتباه از حفاظت مؤثر جلوگیری می‌کند. هنگام انتخاب یک دیود TVS، پارامترهای کلیدی زیر را در نظر بگیرید:

ولتاژ شکست معکوس (VB): ولتاژی که در آن دیود TVS شروع به هدایت می‌کند.

ولتاژ کلمپینگ (VC): ولتاژی که دیود TVS به طور قابل توجهی جریان را هدایت کرده و نوسان را کنترل می‌کند. ولتاژ کلمپینگ پایین‌تر حفاظت بهتری فراهم می‌کند.

ولتاژ معکوس کاری (VWM): حداکثر ولتاژ بایاس معکوسی که تحت آن دیود TVS بدون هدایت باقی می‌ماند، امپدانس بالایی دارد و جریان نشتی بسیار کمی دارد.

قدرت پالس اوج (PPP): مقدار توانی که دیود TVS می‌تواند به‌طور ایمن در حین یک رویداد گذرا پراکنده کند.

3. دیود TVS چگونه از یک مدار محافظت می‌کند؟

اصل کارکرد دیود TVS ساده است: هنگامی که مدار یک پالس ESD دریافت می‌کند، به سرعت ولتاژ شکست معکوس دیود را تجاوز می‌کند. هادی‌های بیرونی، مانند آن‌هایی که به اتصال‌دهنده‌های خارجی متصل هستند، در معرض این پالس‌ها قرار دارند. ESD اگر این هادی‌ها سیگنال‌ها را به قطعات منتقل کنند، پالس ESD ممکن است ولتاژ/جریان بالایی را به قطعه انتقال دهد و آن را به‌احتمال زیاد آسیب دهد.

در صورت وجود یک دیود TVS، پالس از طریق دیود منحرف می‌شود که یک مسیر امپدانس پایین به زمین فراهم می‌کند. معمولاً آند به زمین متصل است و اجازه می‌دهد پالس ESD به صفحه زمین تخلیه شود، به شرطی که یک مسیر زمین با امپدانس پایین در دسترس باشد.

图片1.png

4. دیودهای TVS دوطرفه در مقابل یک‌طرفه

دیودهای TVS به دو نوع دوطرفه و یک‌طرفه وجود دارند که هر کدام اهداف متفاوتی دارند:

图片2(8284a07ced).png

دیودهای TVS دوطرفه در مواردی که مدار هم سیگنال‌های مثبت و هم سیگنال‌های منفی را انتقال می‌دهد، مانند جفت‌های تفاضلی یا مدارهای آنالوگ نوسانی دوطرفه، استفاده می‌شوند. این دیودها حفاظت جامع در برابر ESD را فراهم می‌کنند، حتی در زمان اتصال کوتاه به زمین.

دیودهای TVS یک‌طرفه در صورتی که تنها یک قطبیت الکتریکی وجود داشته باشد، حفاظت را فراهم می‌کنند. اگرچه این دیودها در برابر مدارهای معمولی حفاظت ایجاد می‌کنند، اما در اثر اتصال کوتاه به زمین، ممکن است برخی ولتاژها به قطعات وارد شود.

5. نکات طراحی PCB برای دیودهای TVS

انتخاب صحیح دیود TVS تنها عامل موثر نیست و عملکرد حفاظتی بیشتر به طراحی PCB بستگی دارد. دستورالعمل‌های زیر به اطمینان از عملکرد بهینه دیود TVS کمک می‌کنند:

图片3(c3d47263fd).png

جایگذاری: دیودهای TVS باید در نزدیکی هادی‌هایی قرار گیرند که ممکن است در معرض رویدادهای ESD قرار داشته باشند، مانند اتصال‌دهنده‌ها یا خطوط سیگنال باز. کاهش طول مسیر بین دیود TVS و هادی‌های در معرض خطر، اندوکتانس سلفی را کاهش داده و زمان پاسخ را بهبود می‌بخشد.

اتصال به زمین: ایده‌آل این است که دیودهای TVS به یک صفحه زمین مجزا از زمین قطعه تحت حفاظت متصل شوند. اگر این امر امکان‌پذیر نباشد، با استفاده از تریس‌ها به زمین شاسی متصل کنید تا المان‌های فلزی مانند پیچ‌ها یا سوراخ‌های نصب. یک زمین با امپدانس پایین برای تخلیه سریع انرژی گذرا ضروری است.

حذف شیلدینگ غیرفعال: برخی از قطعات، مانند کانکتورهای شیلددار، به منظور جلوگیری از تخلیه الکترواستاتیکی (ESD) و تداخل نویز طراحی شده‌اند. این قطعات باید به همراه دیودهای TVS استفاده شوند تا حفاظت کامل فراهم شود. شیلد کانکتور باید مستقیماً به زمین شاسی یا صفحه زمین متصل شود تا مسیری با امپدانس پایین برای جریان گذرای الکتریکی فراهم کند.

با رعایت این دستورالعمل‌ها، می‌توان دیودهای TVS را به‌صورت بهینه برای حفاظت از مدار در برابر ولتاژهای ناگهانی و تخلیه الکترواستاتیک (ESD) به کار برد.

图片5(c15e53cca0).png