หลักการป้องกันของ TVS และคำแนะนำในการวางผังวงจร PCB

เรียนรู้หลักการทำงานของไดโอด TVS, ความสำคัญในการปกป้องส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อการรบกวนจากพัลส์ ESD, และวิธีการเลือกใช้และปรับแต่งให้เหมาะสมกับการวางผัง PCB โดยพิจารณาปัจจัยสำคัญ เช่น แรงดันไฟฟ้า breakdown, แรงดันไฟฟ้า clamping และการจัดวางที่เหมาะสมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกัน

สำหรับวิศวกร การป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากไม่ใช่แค่การเลือกใช้แผงจ่ายไฟที่เหมาะสมหรือการถอดปลั๊กสายไฟ แต่ยังรวมถึงการติดตั้งส่วนประกอบป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะภายในผัง PCB และการใช้กลยุทธ์การต่อพื้นที่ชัดเจน ไดโอดทีวีเอส เป็นองค์ประกอบทั่วไปที่ใช้เพื่อปกป้องส่วนต่างๆ ของแผงวงจรพีซีบี โดยเฉพาะในเส้นทางสัญญาณข้อมูล เมื่อได้รับพลัสอีเอสดี (ESD pulse) มันจะเปลี่ยนทิศทางกระแสไฟฟ้าให้ไหลออกจากองค์ประกอบที่ต้องการปกป้อง การวางผังวงจรพีซีบีให้เหมาะสมกับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวนั้นมีความสำคัญอย่างมาก เพื่อป้องกันความเสียหายและรักษาการทำงานที่ถูกต้องของอุปกรณ์

1. ไดโอดป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS Diode) คืออะไร และทำงานอย่างไร?

ไดโอด TVS ถูกใช้หลักเพื่อปกป้องอุปกรณ์จากเหตุการณ์แรงดันชั่วคราว โดยเฉพาะแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากอีเอสดี (ESD) ไดโอดประเภท TVS มักถูกสับสนกับไดโอด เซนเนอร์ หรือ ไดโอดชอตต์กี แต่มีความแตกต่างกัน ไดโอด TVS ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำแบบพีเอ็นจังก์ชัน (pn-junction) ซึ่งจะทำหน้าที่นำไฟฟ้าในช่วงที่แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวเพิ่มสูงขึ้น ในสภาวะปกติ จะอยู่ในภาวะอิมพีแดนซ์สูงและมีกระแสไฟฟ้ารั่วไหลต่ำมาก เมื่อแรงดันชั่วคราวเกินค่าแรงดันทะลุ (breakdown threshold) เกิดปรากฏการณ์การทะลุแบบอาวาแลนช์ (avalanche breakdown) กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านไดโอด จึงเปลี่ยนทิศทางกระแสไฟฟ้าที่เกินจากองค์ประกอบที่ไวต่อแรงดัน

ไดโอด TVS ตอบสนองได้อย่างรวดเร็วมาก มักอยู่ในระดับพิโคเซกันด์ ทำให้มีประสิทธิภาพสูงในการจัดการกับสัญญาณ ESD แบบพัลส์ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

2. การเลือกไดโอด TVS ที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบ PCB

ไดโอด TVS ทุกตัวทำงานในลักษณะเดียวกัน: เมื่อเกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะเพิ่มขึ้นกะทันหัน จะทำให้แรงดันเกินระดับแรงดันพังทลายแบบย้อนกลับ (reverse breakdown voltage) ของไดโอด ส่งผลให้ไดโอดนำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ไดโอด TVS ไม่ได้มีคุณสมบัติเหมือนกันทั้งหมด และการเลือกใช้ไดโอดป้องกันที่ไม่เหมาะสม อาจทำให้การป้องกันแรงดันชั่วขณะไม่มีประสิทธิภาพ เมื่อต้องการเลือกไดโอด TVS ควรพิจารณาพารามิเตอร์หลักต่อไปนี้:

แรงดันพังทลายแบบย้อนกลับ (VB): แรงดันไฟฟ้าที่ไดโอด TVS เริ่มนำไฟฟ้า

แรงดันยึด (VC): แรงดันไฟฟ้าที่ไดโอด TVS นำไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญและควบคุมแรงดันชั่วขณะ แรงดันยึดที่ต่ำกว่าจะให้การป้องกันที่ดีกว่า

แรงดันย้อนกลับขณะทำงาน (VWM): แรงดันไฟฟ้าแบบย้อนกลับสูงสุดที่ไดโอด TVS ยังคงไม่นำไฟฟ้า โดยมีอิมพีแดนซ์สูงและกระแสรั่วไหลต่ำ

พลังงานสูงสุดชั่วขณะ (PPP): ปริมาณพลังงานที่ไดโอด TVS สามารถกระจายพลังงานได้อย่างปลอดภัยในช่วงเกิดเหตุการณ์ชั่วขณะ

3. ไดโอด TVS ทำงานอย่างไรในการปกป้องวงจร?

หลักการพื้นฐานของการทำงานของไดโอด TVS นั้นง่ายดาย: เมื่อวงจรได้รับพลังงานไฟฟ้าสถิตย์ (ESD) พลังงานดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นเกินกว่าแรงดันไฟฟ้าสลายตัวแบบย้อนกลับของไดโอดอย่างรวดเร็ว ตัวนำที่ถูกเปิดเผย เช่น สายที่เชื่อมต่อกับตัวเชื่อมต่อภายนอก มีแนวโน้มที่จะเกิด เอสดี พลังงานชั่วขณะ หากตัวนำเหล่านี้ส่งสัญญาณไปยังชิ้นส่วนอื่น ๆ พลังงาน ESD อาจถ่ายเทพลังงานไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้าสูงไปยังชิ้นส่วนนั้น ซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายได้

เมื่อมีไดโอด TVS พลังงานชั่วขณะจะถูกเบี่ยงเบนผ่านไดโอด โดยไดโอดจะทำหน้าที่เป็นเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำเพื่อปล่อยลงกราวด์ โดยปกติ ขั้วลบจะถูกต่อกราวด์ ทำให้พลังงาน ESD ปล่อยลงสู่ระนาบกราวด์ ตราบเท่าที่มีเส้นทางกราวด์ที่มีความต้านทานต่ำ

图片1.png

4. ไดโอด TVS แบบสองทิศทางและแบบหนึ่งทิศทาง

ไดโอด TVS มีอยู่สองประเภท ได้แก่ แบบสองทิศทางและแบบหนึ่งทิศทาง ซึ่งแต่ละแบบมีวัตถุประสงค์ในการใช้งานที่แตกต่างกัน:

图片2(8284a07ced).png

ไดโอด TVS แบบสองทิศทางจะถูกใช้เมื่อวงจรมีสัญญาณทั้งบวกและลบ เช่น ในวงจรคู่เชิงอนุพันธ์หรือวงจรอะนาล็อกแบบสั่นสองทิศทาง ไดโอดเหล่านี้ให้การป้องกัน ESD อย่างครอบคลุม รวมถึงกรณีเกิดข้อผิดพลาดที่การต่อพื้นดินด้วย

ไดโอด TVS แบบหนึ่งทิศทางจะให้การป้องกันเมื่อมีเพียงขั้วเดียวเท่านั้น แม้ว่าไดโอดเหล่านี้จะให้การป้องกันวงจรทั่วไป แต่ข้อผิดพลาดที่การต่อพื้นดินอาจทำให้ชิ้นส่วนต้องเผชิญกับแรงดันไฟฟ้าบางส่วน

5. เคล็ดลับในการวางผัง PCB สำหรับไดโอด TVS

นอกเหนือจากการเลือกไดโอด TVS ที่เหมาะสมแล้ว ประสิทธิภาพของการป้องกันยังขึ้นอยู่กับผัง PCB โดยตรง หลักเกณฑ์ต่อไปนี้จะช่วยให้ไดโอด TVS ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด:

图片3(c3d47263fd).png

การวางตำแหน่ง: ควรวางไดโอด TVS ใกล้กับตัวนำที่เปิดเผยซึ่งอาจเกิดเหตุการณ์ ESD เช่น คอนเนคเตอร์หรือเส้นสัญญาณเปิด การลดความยาวของลายวงจรระหว่างไดโอด TVS กับตัวนำที่เปิดเผย จะช่วยลดค่าอินดักแทนซ์แบบพาราซิติก และปรับปรุงเวลาตอบสนอง

การต่อกราวด์: โดยทฤษฎีแล้ว ไดโอด TVS ควรต่อเข้ากับระนาบกราวด์แยกต่างหากจากกราวด์ของชิ้นส่วนที่ต้องการป้องกัน หากไม่สามารถทำได้ ควรต่อเข้ากับกราวด์โครงสร้างโดยใช้ลายวงจรไปยังส่วนประกอบโลหะ เช่น น็อตหรือรูยึด การมีกราวด์ที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการกระจายพลังงานชั่วขณะอย่างรวดเร็ว

การกำจัดการป้องกันแบบพาสซีฟ: ชิ้นส่วนบางตัว เช่น คอนเนคเตอร์แบบมีเกราะป้องกัน ถูกออกแบบมาเพื่อป้องกันการเกิด ESD และสัญญาณรบกวน สิ่งเหล่านี้ควรใช้ร่วมกับไดโอด TVS เพื่อให้การป้องกันสมบูรณ์แบบ เกราะป้องกันของคอนเนคเตอร์ควรถูกต่อกราวด์โดยตรงเข้ากับโครงสร้างหรือระนาบกราวด์ เพื่อรักษาเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำสำหรับกระแสชั่วขณะ

การปฏิบัติตามแนวทางเหล่านี้ จะช่วยให้สามารถใช้งานไดโอด TVS ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากและ ESD ในการออกแบบวงจร

图片5(c15e53cca0).png