TVS二极管在GPS接口浪涌保护中的选择分析

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1、概述

tvs瞬态抑制二极管在板级的应用极为广泛,总的来说,这个器件就是干精细活的,一般都是出现在需要防护电路的前方,tvs二极管具有快速响应、低残压、高稳定性等特点,这也是其他过压防护器件类所不能替代的原因之一。在tvs二极管的应用上,许多人都会纠结:该选择单向tvs二极管还是双向tvs二极管?使用双向tvs二极管和使用单向tvs二极管有什么样的差别?本文从客户实例中讲解单向tvs管与双向tvs管的应用特点。

2、问题描述

某客户的环境监控无线设备的gps天馈口,在测试共模3ka@8/20μs±5t,但实际1t雷击测试后ldo芯片损坏,无法正常工作,图1为我司为客户初步推荐的方案,图2为客户现有板子。

TVS二极管在GPS接口浪涌保护中的选择分析

原有防护图

TVS二极管在GPS接口浪涌保护中的选择分析

2 pcb实物

3、防护需求

根据客户应用场景分析了解,gps天馈口的防护需要从两个方面进行防雷:一个是对射频信号进行防护,另一个是对内馈直流电源进行防护。本案例主要故障是在电源部分,主要损坏的是ldo芯片,即低压差线性稳压器,位于电源的输出端,当浪涌电流注入,如果没有防护,首当其冲的就是这个芯片,这个芯片损坏,则电源无法输出。按照这个思路,我们规划了原始方案的理想浪涌电流路径如图3所示:

TVS二极管在GPS接口浪涌保护中的选择分析

图3 理想浪涌电流路径图

TVS二极管在GPS接口浪涌保护中的选择分析

图4 推测实际损坏电流路径

4、案例分析

浪涌测试一次,ldo芯片就损坏了,也就是说,浪涌电流没有按照我们规划的路径流动,而是往ldo芯片走了一部分,这个部分电流造成了ldo芯片损坏,于是我们推测:是否是ldo芯片的反向耐压不足导致损坏?其浪涌电流路径是否如图4所示?基于以上推测,我们在bv-smbj6ca与ldo芯片之间增加一个二极管,来提高后级回路的耐压水平,图5为整改后图:

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图5 增加二极管实物图

整改完成后,通过实际测试,该gps口能满足正向5次共模3ka@8/20μs的浪涌测试,而负向浪涌测试时,一次就失效了,查到的原因还是ldo芯片损坏。继续分析路径,正向浪涌能通过测试,说明增加了单向二极管的效果是有的,反向时,tvs二极管是6v才开启,而ldo芯片加新增的二极管只需要0.7+0.3v=1v即开启了,他们远远早于tvs的动作电压,所以电流应该是按照图6流走的路径,而ldo芯片的通流能力比较弱,所以损坏了。

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图6 负向浪涌损坏路径图

基于以上原因,我们需要一个比这两个器件正向导通电压之和还低的器件来做反向的防护,于是,我们选择了单向的tvs,其反向开启电压在0.7v左右,通过这么改动,该方案的浪涌路径如图7所示。

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图7  更改成单向tvs的路径

5、总结

5.1、浪涌防护设计中路径分析最重要的环节是了解浪涌电流路径!当我们了解了浪涌电流路径之后,我们也就能很好的给浪涌电流搭建一条合理的泄放路径。在本文中,由于后级的特殊性—ldo芯片的反向耐压及正向通流都比较脆弱,所以,在选择tvs二极管时,就应该要利用好单向tvs二极管的不对称性,一个方向为tvs二极管的钳位特性,另一方向为二极管正向导通特性,使防护电路起到应有的作用。

5.2、从该案例中,在单向tvs二极管与双向tvs二极管的选择时,主要考虑的是浪涌路径的搭建,如果后级的反向耐压、通流都有足够的余量,一般双向tvs二极或单向tvs二极都不会有太大问题,当后级的耐压及通流都较小时,单向tvs二极管具有一定的优势。

5.3、由于gps天馈口为高频信号,当频率越高,对初级的gdt陶瓷气体放电管的结电容要求也越高,在选型时,陶瓷气体放电管的结电容是一个相对重要的参数之一。sg5042b090能满足该端口的结电容要求,同时,体积及通流都有较好的优势。

5.4、整改的二极管我们推荐选择肖特基二极管,这类管子的正向导通电压较低,约为0.3v,也就是正常工作时他消耗电源的功率较小,该案例我们推荐的是一个通流为3a&反向耐压40v的肖特基二极管ss34a。

6、方案相关器件

6.1、sg5042b090系列陶瓷气体放电管

sg5042b090系列气体放电管(gdt)旨在针对因雷击干扰引起的快速上升瞬态电压提供高水平保护。 采用方形表面安装式封装(5.0×5.0×4.2mm) 具备5ka浪涌性能以及 ≤1.0pf的断态电容值。
sg5042b090系列陶瓷气体放电管详细产品页面:http://semiware.com/products/signal-gas-tubes/sg5042b090.html

6.2、se3d15b5.0ma系列esd静电抑制器

se3d15b5.0ma系列静电抑制器产品,采用sod-323标准表面贴装型封装,具有漏电流小,反应速度快(ns级),极间电容小,可靠性高等特性,被广泛应用于安防监控,网络通讯,汽车电子,白色家电,工业控制等领域的信号接口esd静电防护。
se3d15b5.0ma系列esd静电抑制器详细产品页面:http://semiware.com/products/tvs-diode-arrays/se3d15b5.0ma.html

6.3、svb60u6.0系列单向tvs瞬态抑制二极管

svb60u6.0系列tvs瞬态抑制二极管产品,具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。专门用于保护电路应用中敏感电子设备,使其免受雷击和其他瞬态电压事件引起的瞬态电压侵害。。
svb60u6.0系列tvs瞬态抑制二极管详细产品页面:http://semiware.com/products/high-stability-tvs-diodes/svb60u6.0.html

6.4、ss34a系列肖特基二极管

ss34a系列高可靠性肖特基二极管产品,采用标准sma表面贴装型封装,具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。它们还具备低泄漏电流几乎见于每种电子应用,在电路中执行一项最重要的功能。无论对于通用开关,还是超高速开关,稳健的性能都不可或缺。
ss34a系列肖特基二极管详细产品页面:http://semiware.com/products/schottky-diodes/ss34a.html

7、关于赛米微尔
赛米微尔拥有过电压保护器件系列产品的完善产品阵容。公司凭借其在半导体领域的技术和终端产品的应用背景,为电子、汽车和工业市场上的客户提供服务。如果您有技术问题,请按以下方式联系技术支持团队:邮箱:fae01@semiware.com; 电话:86-21-3463-7654; 免费技术支持热线:400-021-5756 ;如需了解更多信息,请访问赛米微尔官方网站:https://www.semiware.com

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