Mögliche falsche Verwendung von TVS-Dioden?

Ich war mit einer seltsamen Situation konfrontiert und konnte bisher den Grund dafür nicht finden, deshalb habe ich frustriert Hilfe gesucht.

Ich habe ein System, das aus 2 getrennten Leiterplatten besteht (einer Steuerbox und einem integrierten Controller), die über ein dickes 10-poliges Kabel verbunden sind. Das System verwendet eine 24-V-Versorgung (65 W) für Sensoren und Motor, 5 V für Sensoren und 3,3 V für digitale I/Os. Es hat gut funktioniert, bis ich beide PCBs mit TVS-Dioden für den ESD-Schutz aktualisiert habe. Die Dinge wurden schlecht und ich identifizierte die TVS-Dioden als Schuldigen, erst nachdem ich Dutzende von Mikroprozessorchips verbrannt hatte.

Zu den Symptomen gehören ein Selbstkurzschluss des Leistungsschalters (das Kontaktstück des Schalters springt nicht zurück, wenn es nicht gedrückt wird), der Motortreiber stirbt (der mit 24 V für den Motor, 3,3 V für das Signal und GND versorgt wird), Spannungsabfall an einem der beiden der Ausgangskanal des Optokopplers (der zunächst 3,3 V anzeigt, aber schnell auf etwa 1 V abfällt. Was mir einfiel, ist, dass der Kanal auch die kürzeste Spur hat), und hauptsächlich - der Mikrocontroller der Steuerbox hat Wärme bekommen in Sekunden auf und blieb dauerhaft in diesem Zustand. Meine Annahme ist, dass entweder 24 V oder 5 V irgendwie in die 3,3-V-Spur gelangt sind und Chaos im System anrichten. Oder es könnte ein Rückstrom gewesen sein. Die 3A-Bordsicherung ist aber während des ganzen Vorgangs nicht durchgebrannt.

Das TSV-Diodenlayout ist unten dargestellt: TSV-Diodenlayout!

Die von mir gewählte TSV-Diode ist MMBZ33VAL und hat eine Sperrspannung von 26 V. Ich weiß, dass es möglicherweise unangemessen ist, es für 3,3-V- und 5-V-Anwendungen zu verwenden, aber ich glaube, es wird nur die Schutzfähigkeit verringern, anstatt das System zu gefährden. Das System wird normal funktionieren (na ja, nur soweit ich das beurteilen kann), wenn ich alle TSV-Dioden auf den Platinen der neuen Version entfernt habe. Ich muss also irgendwo einen Fehler gemacht haben, aber ich kann ihn nicht selbst identifizieren, daher wäre es dankbar, wenn jemand darauf hinweisen und erklären könnte, warum.

Dies ist ein guter Anfang für eine Frage, aber wir brauchen mehr Informationen: Ein vollständigerer Schaltplan und ein Abschnitt der PCB-Grafik würden helfen. Ich kann GND und DGND nicht berücksichtigen, ohne zu wissen, wie sie sich beispielsweise in der Schaltung zueinander verhalten. Davon abgesehen würden "ordnungsgemäß angeschlossene" TVS keine Probleme verursachen, wie Sie sie beschrieben haben: Entweder ist der PCB-Footprint falsch oder mit Ihrer Schaltung passiert etwas Seltsames, das wir (noch) nicht sehen können. Ich teile eine positive Bewertung als Anreiz für Sie, Ihr Problem besser zu definieren.
Dies mag trivial erscheinen, aber haben Sie dreimal überprüft, ob Ihr physischer Fußabdruck von SOT-23 mit dem übereinstimmt, was Sie auf dem Schaltplan haben? Überprüfen Sie auch den 24-V-Versorgungsausgang, wenn Sie ihn einschalten.
Benötigen Sie so viele TVS-Dioden? Ich denke daran, sie auf Leitungen zu verwenden, die "in die Welt hinausgehen", wo die Leute möglicherweise das Falsche an Ihre Schaltung anschließen. Für interne Verbindungen (zwischen Boards) sehe ich keine Notwendigkeit. (Aber ich könnte mich auch irren ... vielleicht ist das Standardpraxis?)
@GeorgeHerold Ich glaube, TVS-Dioden dienen der ESD-Unterdrückung, die durch menschlichen Kontakt oder Stecker- / Kabelverbindung induziert werden kann. Das im Bild gezeigte B-System kann eigenständig verwendet werden, wenn es mit ausreichend Strom/Signalen versorgt wird, und es kann über ein 5 m langes Kabel mit dem A-System (der Steuerbox) verbunden werden. Und neben den Kabelanschlusspins werden auch außen liegende I/Os (zB LED/Folientastatur...) mit TVS-Dioden geschützt.
@Barleyman Ja, das ist das zweite, was ich während des Debugging-Vorgangs getan habe. Da anscheinend nichts auffällig ist, hat es eine ganze Weile gedauert, bis ich den Übeltäter identifiziert habe.
@AdamLawrence Danke für den Kommentar. Was die Erdung betrifft: Im B-System sind GND und DGND nicht verbunden (es ist so konzipiert, dass der Benutzer unterschiedliche Erdungen verwendet), bis sie das A-System erreichen (intern verbunden). Der DGND-Pin im A-System ist isoliert und unterscheidet sich vom DGND im B-System. Ich habe nicht die gesamten Schaltpläne oder das PCB-Layout gezeigt, hauptsächlich weil die Systeme funktionieren, wenn diese TVS-Dioden entfernt werden. Die TVS-Dioden werden neben den Eingangs-/Ausgangspins platziert. Ich habe das PCB-Layout mit der Software überprüft, die sich als kein Fehler / Unterschied zu den Schaltplänen herausstellte.
Ich frage mich, ob die TVS-Chips von den isolierten Referenzebenen gekocht werden. Möglicherweise möchten Sie (mindestens) einen Widerstand zwischen den Masseebenen hinzufügen, um sicherzustellen, dass sie ungefähr das gleiche Potenzial haben. Sofern keine tatsächliche Isolationsanforderung besteht, würde ich die Netze einfach miteinander verbinden.
@Barleyman Nun, Tatsache ist, dass ich derzeit die Benutzereingabe-E / A nicht verwendet habe, was dem DGND des A-Systems entspricht. Ich denke also, dass sie einfach als schwebende Stifte betrachtet werden können, an denen nichts befestigt ist. Sollte meiner Meinung nach nicht die Ursache des Problems sein.
Gibt es eine Chance, kurz einen Fernseher zu haben? Das könnte eine Menge magischer Nebenwirkungen verursachen.
@ThomasLin Unwahrscheinlich ein Problem, aber (es sei denn, Sie haben dies bereits herausgefunden), nur um zu kichern, versuchen Sie, den Fernseher zu entfernen, der GND mit DGND verbindet (Sch-Platine A oben rechts). Und es sieht so aus, als wäre auch einer an Bord B. Lassen Sie mich wissen, ob das Problem weiterhin auftritt. Wenn das, was Barleyman gesagt hat, und Ihr Boden auf unterschiedlichen Potentialen schweben, gibt es dort vielleicht einen Leitungspfad. Unwahrscheinlich, aber probiere es einfach aus.

Antworten (1)

Die Idee ist richtig.

Aber überprüfe folgendes:

  • das TVS für 26 V ist keine richtige Wahl für den 24-V-Eingang. Entfernen Sie den Fernseher vom 24-V-Eingang (Sie sollten dort zum Schutz einen Fernseher mit einer Spannung über 30 V anschließen). Gleiches gilt für alle 24V Eingänge.
  • Überlegen Sie, wie TVS funktioniert: Es wird kurz, sobald die Durchbruchspannung überschritten wird. Stellen Sie sicher, dass es eine Komponente gibt, an der die Spannung abfallen kann, da dies sonst zu einem starken Massesprung in Ihrem Schaltkreis führt. Ein Eingangspin kann beispielsweise so aussehen: Pin – 330-Ohm-Reihenwiderstand – TVS an Masse, wodurch der Widerstand die durch eine Überspannung verursachte übermäßige Leistung abführen kann
  • Beachten Sie, dass TVS sehr wahrscheinlich keine Sicherung auslösen kann, definitiv keine 3-A-Sicherung (die etwa 6 A zum Auslösen erfordert). TVS dienen zum Schutz kurzer ESD-Impulse. Wenn Sie eine Sicherung auslösen möchten, verwenden Sie einen Varistor als langsameres (aber robusteres) Gerät.
  • Ich denke , dass in Ihrem Fall das TVS ausgelöst wird, da seine maximale Durchbruchspannung 26 V beträgt und es bei 24 V auslösen kann. Dies verursacht ein starkes Masseprellen, wodurch die Port-Schutzdioden des Mikrocontrollers öffnen und der Rückstrom das Mikro aufheizt.

Ich fand es eine gute Idee, einen mehrstufigen Schutz zu haben und das TVS für den ESD-Schutz zu verwenden (anstelle eines sehr engen Überspannungsschutzes). Das Datenblatt besagt, dass seine maximale Durchbruchspannung 26 V beträgt, sodass er tatsächlich bei 24 V oder auch bei 23 V zu leiten beginnen kann.

Es ist also eine gute Idee:

  • Verwenden Sie einen anderen Mechanismus als groben Primärschutz (z. B. Varistor, Funkenstrecken, PCB-Induktoren - siehe Sicherheitspanels und PIR-Sensoren als gutes Beispiel dafür)
  • haben einen gewissen Serienwiderstand und verwenden den TVS als sekundären Schutz. Beachten Sie, dass der Serienwiderstand zusammen mit der Kapazität des TVS einen Tiefpassfilter verursacht, sodass Sie sich in einigen Hochgeschwindigkeitsanwendungen (z. B. USB) keinen Serienwiderstand leisten können.
    • Die TVS-Spannung sollte etwas höher sein als die zulässige Höchstspannung. TVS haben maximale Auslöse- und minimale Auslösespannungen – die minimale Auslösung muss über dem zulässigen maximalen normalen Eingang liegen.
    • Beachten Sie, dass, obwohl Sie ein TVS haben , die Möglichkeit einer Überspannung besteht, da der Auslösepunkt des TVS nicht wirklich genau ist. Verwenden Sie daher vor dem Anschluss an den Mikrocontroller einen anderen Vorwiderstand von beispielsweise 100-470 Ohm.
    • Die Portdioden im Mikrocontroller begrenzen die Spannung in einem angemessenen Bereich. Auch wenn diese Dioden weniger als 20mA aushalten, ist dank des Vorwiderstandes alles geschützt und dennoch im sicheren Bereich.
Danke für Ihre Antwort. Ich stimme Ihren Kommentaren zu, bin mir aber nicht sicher, ob bei der Rückwärts-Standoff-Spannung und der Durchbruchspannung ein Fehler aufgetreten ist . Ich habe einige Tests an der TVS-Diode durchgeführt, und das Ergebnis stimmt mit dem Datenblatt überein, dass ich etwa 3 mA Stromdurchgang (mit 1K-Widerstand) unter 37 V messen konnte . Die Durchbruchspannung der TVS-Diode beträgt 33 V, daher sollte sie die Diode bei normalem 24-V-Betrieb meiner Meinung nach nicht ausgelöst haben. Wie auch immer, ich werde trotzdem einige serielle Widerstände hinzufügen, es ist nur so, dass ich denke, dass etwas anderes das Board stört.
Ich könnte mich durch den Zusammenbruch im Vergleich zum Rückwärtsstand geirrt haben. Holen Sie sich Ihre 24-V-Stromversorgung. Schließen Sie ein Amperemeter in Reihe und schließen Sie die TVS-Diode daran an (genauso, als ob es den Eingang Ihrer Platine schützen würde). Versuchen Sie dies mit ein paar TVS-Dioden, um falsche Ergebnisse aufgrund von Herstellungsspielräumen zu minimieren. Sie können sehen: a) kein Strom fließt oder nur Mikroampere – dies zeigt, dass TVS nicht leitet, b) einige Milliampere sehen – das sieht nicht gut aus, betrachten Sie TVS bei einer höheren Spannung, c) es löst den Kurzschlussschutz Ihres aus Netzteil sofort - dann müssen Sie ein Fernsehgerät mit einer höheren Spannung auswählen.
Ich wiederhole den Test und messe diesmal den Strom mit Multimeter anstelle der Anzeige am Ausgang des Netzteils. Ich habe es mit 2 Dioden mit jeweils 2 Kanälen gemacht, und es fließt kein Strom unter 32 V. Ich konnte ungefähr Hunderte von Mikroampere um 33 V ablesen. Trotzdem danke für den Versuch zu helfen :)
Mögliche falsche Verwendung von TVS-Dioden?
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