¿Posible mal uso de los diodos TVS?

Me he enfrentado a una situación extraña y hasta ahora no he podido encontrar la razón, por lo tanto, me presenté frustrado en busca de ayuda.

Tengo un sistema compuesto por 2 PCB separados (una caja de control y un controlador integrado), conectados a través de un cable grueso de 10 pines. El sistema utiliza un suministro de 24 V (65 W) para sensores y motor, 5 V para sensores y 3,3 V para E/S digitales. Ha estado funcionando bien hasta que actualicé ambos PCB con diodos TVS para protección ESD. Las cosas se pusieron mal e identifiqué que el culpable eran los diodos TVS, solo después de quemar docenas de chips de microprocesador.

Los síntomas incluyen un cortocircuito automático del interruptor de alimentación (la pieza de contacto del interruptor no rebota cuando no se presiona), la muerte del controlador del motor (que recibe 24 V para el motor, 3,3 V para la señal y GND), caída de voltaje en uno de los el canal de salida del optoacoplador (que muestra 3,3 V al principio, pero rápidamente cae a alrededor de 1 V. Lo que me vino a la mente es que el canal también tiene la traza más corta), y principalmente: el microcontrolador de la caja de control se calentó en segundos y permaneció permanentemente en este estado. Mi suposición es que 24V o 5V de alguna manera entraron en el rastro de 3.3V y causaron estragos en el sistema. O podría haber habido una corriente inversa. Sin embargo, durante todo el proceso el fusible de a bordo de 3A no se quemó.

El diseño del diodo TSV se muestra a continuación: Disposición del diodo TSV!

El diodo TSV que elegí es MMBZ33VAL y tiene un voltaje de separación inverso de 26 V. Sé que puede ser inapropiado usarlo en una aplicación de 3,3 V y 5 V, pero creo que solo disminuirá la capacidad de protección en lugar de comprometer el sistema. El sistema funcionará normalmente (bueno, solo hasta donde puedo decir) si eliminé todos los diodos TSV en las placas de la nueva versión. Entonces debe haber cometido un error en alguna parte, pero no puedo identificarlo yo mismo, por lo que agradecería si alguien puede señalarlo y explicar por qué.

Este es un buen comienzo para una pregunta, pero necesitamos más información: un esquema más completo y una sección del diseño de PCB ayudarían. No puedo considerar GND y DGND sin saber cómo se relacionan entre sí en el circuito, por ejemplo. Dicho esto, los TVS "correctamente conectados" no causarían problemas como los describió: o la huella de PCB es incorrecta o está sucediendo algo extraño con su circuito que no podemos ver (todavía). Compartiré un voto a favor como incentivo para que definas mejor tu problema.
Esto puede parecer trivial, pero ¿ha verificado tres veces que su huella física SOT-23 coincide con lo que tiene en el esquema? Y también verifique la salida de suministro de 24V cuando lo encienda.
¿Necesita tantos diodos TVS? Pienso en usarlos en líneas que "salen al mundo" donde las personas pueden conectar algo incorrecto a su circuito. Para conexiones internas (entre placas). No veo la necesidad. (Pero también podría estar equivocado... ¿tal vez esta es una práctica estándar?)
@GeorgeHerold Creo que los diodos TVS son para la supresión de ESD, que podría ser inducida por contacto humano o conexión de cable/enchufe. El sistema B indicado en la imagen se puede utilizar de forma independiente si se proporciona la potencia/señales adecuadas, y se puede conectar al sistema A (la caja de control) a través de un cable de 5 m. Y además de los pines de conexión del cable, las E/S que están cerca del exterior (por ejemplo, LED/teclado de membrana...) también están protegidas con diodos TVS.
@Barleyman Sí, esa es la segunda cosa que hice durante el procedimiento de depuración. Como aparentemente nada es anormal, me tomó bastante tiempo identificar al culpable.
@AdamLawrence Gracias por el comentario. En cuanto a las tierras: en el sistema B, GND y DGND no están conectados (está diseñado si el usuario usa diferentes tierras) hasta que llegan al sistema A (conectado internamente). El pin DGND en el sistema A está aislado y es diferente del DGND en el sistema B. No mostré los esquemas completos o el diseño de PCB principalmente porque los sistemas funcionan si se eliminan estos diodos TVS. los diodos TVS se colocan junto a los pines de entrada/salida. Revisé el diseño de PCB con el software que resultó no ser un error/diferencia con los esquemas.
Me pregunto si los chips de TVS están siendo cocinados por los planos de referencia aislados. Es posible que desee agregar (al menos) una resistencia entre los planos de tierra para asegurarse de que tengan aproximadamente el mismo potencial. A menos que haya un requisito de aislamiento real, simplemente conectaría las redes.
@Barleyman Bueno, el hecho es que actualmente no he estado usando las E/S de entrada de usuario, que corresponden al sistema A DGND. Así que creo que pueden considerarse como pines flotantes sin nada adjunto. No debería ser la fuente del problema, creo.
¿ Alguna posibilidad de tener un televisor en breve? Eso podría causar un buen conjunto de efectos secundarios mágicos.
@ThomasLin Es poco probable que sea un problema, pero (a menos que ya se haya dado cuenta de esto), solo para reírse, intente quitar el TVS que conecta GND a DGND (tablero A superior derecho). Y parece que también hay uno en el tablero B. Avísame si el problema persiste. Si lo que dijo Barleyman y sus terrenos están flotando a diferentes potenciales, tal vez haya un camino de conducción allí. Es poco probable, pero inténtalo.

Respuestas (1)

La idea es correcta.

Pero revisa lo siguiente:

  • el TVS para 26V no es una opción adecuada para la entrada de 24V. Retire el televisor de la entrada de 24V (deberá colocar allí un televisor con un voltaje superior a 30V como protección). Lo mismo se aplica a todas las entradas de 24 V.
  • Considere cómo funciona TVS: se acortará una vez que se exceda el voltaje de ruptura. Asegúrese de que haya un componente donde el voltaje pueda caer, de lo contrario, causará un fuerte rebote a tierra en su circuito. Por ejemplo, un pin de entrada puede tener el siguiente aspecto: pin - resistencia en serie de 330 ohmios - TVS a tierra, lo que permite que la resistencia disipe el exceso de energía causado por un sobrevoltaje
  • tenga en cuenta que es muy probable que TVS no pueda disparar un fusible, definitivamente no un fusible de 3A (que requiere como 6A para disparar). Los TVS son para proteger pulsos cortos de estilo ESD, si desea activar un fusible, use un varistor como un dispositivo más lento (pero más resistente).
  • Creo que en su caso, el TVS se disparará porque su voltaje máximo de ruptura es de 26V y puede dispararse a 24V. Esto provoca un serio rebote a tierra, lo que hace que se abran los diodos protectores del puerto del microcontrolador y la corriente inversa hace que el micro se caliente.

Descubrí que es una buena idea tener una protección multinivel y usar el TVS para protección ESD (en lugar de una protección contra sobrevoltaje muy estrecha ). La hoja de datos dice que su voltaje de ruptura máximo es de 26 V, por lo que en realidad puede comenzar a conducir a 24 V o también a 23 V.

Por lo tanto, es una buena idea:

  • use algún otro mecanismo como una protección primaria aproximada (por ejemplo, varistor, chispas, inductores de PCB; consulte los paneles de seguridad y los sensores PIR como un buen ejemplo de esto)
  • tener alguna resistencia en serie, y usar el TVS como protección secundaria. Tenga en cuenta que la resistencia en serie junto con la capacitancia del TVS generará un filtro de paso bajo, por lo que en algunas aplicaciones de alta velocidad (por ejemplo, USB) no puede permitirse tener una resistencia en serie.
    • el TVS debe tener un voltaje un poco más alto que el máximo permitido. Los televisores tienen voltajes máximos y mínimos de disparo; el mínimo de disparo debe estar por encima de la entrada normal máxima permitida.
    • tenga en cuenta que aunque tenga un TVS, existe la posibilidad de una sobretensión porque el punto de activación del TVS no es realmente preciso. Por lo tanto, use otra resistencia en serie de, digamos, 100-470 ohm, antes de conectarla al microcontrolador.
    • los diodos del puerto dentro del microcontrolador recortarán el voltaje en un rango razonable. Gracias a la resistencia en serie, aunque estos diodos pueden sobrevivir a menos de 20 mA, todo está protegido y aún en el área segura.
Gracias por responder. Estoy de acuerdo con sus comentarios, pero no estoy seguro de si ha habido un error en el voltaje de separación inversa y el voltaje de ruptura . Hice algunas pruebas en el diodo TVS, y el resultado está de acuerdo con la hoja de datos, que pude medir aproximadamente 3 mA de conducción de corriente (con una resistencia de 1K) por debajo de 37 V. El voltaje de ruptura del diodo TVS es de 33 V, por lo que creo que no debería haber disparado el diodo en un funcionamiento normal de 24 V. De todos modos, todavía agregaré algunas resistencias en serie, solo que creo que hay algo más que molesta a la placa.
Podría haberme confundido con la ruptura frente a la separación inversa. Consigue tu fuente de alimentación de 24V. Conecte un amperímetro en serie y conecte el diodo TVS (como si protegiera la entrada de su placa). Pruebe esto con algunos diodos TVS para minimizar los resultados falsos debido a los márgenes de fabricación. Es posible que vea: a) no fluye corriente o solo microamperios: esto muestra que TVS no está conduciendo, b) ve algunos miliamperios: esto no se ve bien, considere TVS a un voltaje más alto, c) activará la protección contra cortocircuitos de su PSU inmediatamente; luego, debe elegir un televisor con un voltaje más alto.
Vuelvo a hacer la prueba y esta vez mido la corriente con un multímetro en lugar de la pantalla de salida de la fuente de alimentación. Lo hice a 2 diodos, con 2 canales cada uno, y no hay flujo de corriente por debajo de 32V. Pude obtener una lectura de unos cientos de microamperios alrededor de 33V. De todos modos, gracias por intentar ayudar :)
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