Diode TVS là gì: bảo vệ ESD cho cổng USB, chân cảm biến, nguồn 24 V và RS485

Diode TVS là gì, ba thông số VRWM, VBR, VC; ESD khác xung quá áp; đặt TVS sát đầu nối; chọn bảo vệ cho cổng USB, chân GPIO, nguồn 12 V, 24 V, RS485; script Python chọn TVS họ SMBJ.

Chạm tay vào cổng USB vào ngày hanh khô, cắm dây cảm biến dài ngoài sân, cắm rút nguồn 24 V có tải cuộn cảm: mỗi lần như vậy mạch có thể nhận một xung vài nghìn vôn trong vài nano giây. Chip vẫn chạy, nhưng chân GPIO hỏng dần, cổng USB lúc nhận lúc không. Diode TVS là linh kiện dùng để chặn các xung này. Bài giải thích diode TVS là gì, ba thông số VRWM, VBR, VC, đặt TVS ở đâu trên mạch, chọn linh kiện cho cổng USB, chân cảm biến, nguồn 12 V, 24 V và RS485. Cuối bài có script Python chọn TVS họ SMBJ theo điện áp của đường dây.

1. Diode TVS là gì

TVS (Transient Voltage Suppressor) là diode được chế tạo để chịu dòng xung lớn khi bị đánh thủng. Ở điện áp làm việc bình thường, TVS gần như hở mạch, chỉ có dòng rò rất nhỏ. Khi xuất hiện xung cao hơn ngưỡng đánh thủng, TVS dẫn mạnh xuống GND gần như ngay lập tức và giữ điện áp trên đường dây ở một mức gọi là điện áp kẹp. Hết xung, TVS trở lại trạng thái hở mạch.

Về cấu tạo, TVS giống diode zener, nhưng diện tích tiếp giáp lớn hơn nhiều để hấp thụ được năng lượng xung. Zener dùng để ổn áp dòng nhỏ liên tục; TVS dùng để chịu xung ngắn, dòng lớn. Phần diode, zener cơ bản có ở bài diode: tiếp giáp p-n, chỉnh lưu, chống cắm ngược nguồn và diode bảo vệ.

Có hai loại:

• Một chiều (unidirectional, đuôi A như SMBJ24A): kẹp xung dương ở mức VC, còn xung âm thì dẫn thuận như diode thường, kẹp ở khoảng −1 V. Dùng cho đường nguồn và tín hiệu chỉ có điện áp dương.
• Hai chiều (bidirectional, đuôi CA như SMBJ24CA): kẹp cả hai phía. Dùng cho đường tín hiệu có điện áp âm, ví dụ RS485, RS232, tín hiệu xoay chiều.

2. Ba thông số chính: VRWM, VBR, VC

• VRWM (điện áp làm việc ngược lớn nhất, có hãng ghi V_R): ở điện áp này TVS vẫn chưa dẫn, chỉ có dòng rò cỡ micro ampe. Đây là thông số chọn đầu tiên: VRWM phải lớn hơn hoặc bằng điện áp lớn nhất mà đường dây có trong lúc làm việc bình thường.
• VBR (điện áp đánh thủng): điện áp đo ở dòng thử nhỏ (thường 1 mA) khi TVS bắt đầu dẫn. VBR luôn cao hơn VRWM khoảng 10 %.
• VC (điện áp kẹp): điện áp hai đầu TVS khi dòng xung đạt IPP, dòng xung lớn nhất mà linh kiện chịu được. Mạch phía sau sẽ thấy điện áp gần bằng VC trong lúc có xung, nên VC phải thấp hơn mức chịu tối đa của linh kiện cần bảo vệ.

Với họ SMBJ (vỏ SMB, 600 W), VC × IPP xấp xỉ 600 W, đo với xung chuẩn 10/1000 µs (sườn lên 10 µs, giảm còn một nửa sau 1000 µs). Lấy SMBJ24A: VRWM 24 V, VBR từ 26,7 V, VC 38,9 V ở 15,4 A. Như vậy một đường 24 V được bảo vệ sẽ có lúc lên gần 39 V trong thời gian xung: mạch phía sau phải chịu được mức đó, hoặc cần thêm tầng bảo vệ.

Ngoài ra cần xem thêm:

• Điện dung: TVS công suất lớn có điện dung hàng trăm pF tới vài nF. Trên đường nguồn thì không sao, trên đường dữ liệu tốc độ cao thì làm méo tín hiệu.
• Công suất xung: 400 W (SMAJ), 600 W (SMBJ), 1500 W (SMCJ). Xung lớn, dây dài ngoài trời thì chọn loại công suất cao hơn.

3. ESD khác xung quá áp thế nào

ESD (phóng tĩnh điện) là xung từ người hoặc vật tích điện chạm vào cổng: điện áp cao (vài kV tới 15 kV) nhưng rất ngắn, sườn lên dưới 1 ns, toàn bộ xung kéo dài khoảng 100 ns. Với mức thử 8 kV phóng tiếp xúc, dòng đỉnh khoảng 30 A, còn khoảng 16 A sau 30 ns và 8 A sau 60 ns. Năng lượng nhỏ nhưng tốc độ rất nhanh, nên linh kiện bảo vệ phải phản ứng nhanh và nằm sát cổng.

Xung quá áp (surge) do sét lan truyền, cắm rút nguồn, đóng cắt tải cuộn cảm như relay, động cơ, van điện từ: điện áp thấp hơn ESD nhưng kéo dài tới hàng chục, hàng trăm micro giây, năng lượng lớn hơn rất nhiều. Đây là loại xung mà thông số 10/1000 µs của SMBJ, SMCJ mô tả.

Chip vi điều khiển thường chỉ được thử ESD theo mô hình HBM (cỡ 2 kV), mô phỏng việc cầm chip lúc lắp ráp trong nhà máy có kiểm soát tĩnh điện. Mức đó không đủ cho một cổng mà người dùng chạm tay vào hằng ngày, hay một dây cảm biến dài vài mét. Vì vậy các cổng đi ra ngoài hộp cần linh kiện bảo vệ riêng.

4. Đặt TVS ở đâu trên mạch

Vị trí quan trọng không kém việc chọn linh kiện. Dòng ESD sườn lên dưới 1 ns, nên vài milimét đường mạch đã có điện cảm đủ để tạo thêm hàng chục vôn. Các nguyên tắc:

1. Đặt TVS sát đầu nối, trước mọi linh kiện khác. Dòng xung phải được dẫn xuống GND ngay ở cửa vào, không được chạy qua mạch tới IC rồi mới gặp TVS.
2. Đường xuống GND ngắn, rộng, nối thẳng vào mặt GND bằng một hoặc vài lỗ xuyên ngay cạnh chân TVS. Đường GND dài làm điện áp kẹp thực tế cao hơn nhiều so với VC trong bảng thông số.
3. Đường tín hiệu đi qua chân TVS, không rẽ nhánh dài sang TVS rồi quay lại.
4. Thêm điện trở nối tiếp 100–330 Ω giữa TVS và chân vào của vi điều khiển khi tín hiệu chậm (nút nhấn, cảm biến số, đầu vào analog). Phần điện áp còn lọt qua TVS sẽ rơi trên điện trở, và dòng vào diode bảo vệ bên trong chip được hạn chế.

Với ESP32 làm việc ở 3,3 V, chân GPIO không được đưa vào điện áp cao hơn điện áp nguồn của chip. Diode bảo vệ bên trong chip chỉ chịu được dòng nhỏ; không nên coi nó là phần bảo vệ chính.

5. Chọn bảo vệ cho từng loại cổng

5.1. Cổng USB

• D+, D−: không dùng TVS công suất như SMBJ vì điện dung quá lớn. Dùng mảng diode ESD chuyên cho USB, điện dung mỗi đường chỉ vài pF hoặc nhỏ hơn, thường có sẵn chân cho VBUS trong cùng một vỏ. Đặt ngay sau jack, hai đường D+, D− đi song song, dài bằng nhau. Vị trí chân D+, D− trên jack Type-C có ở bài chân D+ D− trên jack USB Type-C.
• VBUS 5 V: TVS 5 V một chiều (ví dụ SMBJ5.0A). Nếu mạch cấp nguồn ra ngoài qua cổng USB thì thêm cầu chì tự phục hồi để ngắn mạch phía ngoài không kéo sập nguồn.
• CC1, CC2 của jack Type-C: thường đi kèm điện trở 5,1 kΩ xuống GND; nhiều mảng diode ESD cho Type-C có thêm kênh cho hai chân này.

Mạch ra chân Type-C gắn panel như mạch ra chân USB Type-C cái 4 pin gắn panel chỉ đưa chân ra dây, không có linh kiện bảo vệ. Khi dùng jack gắn vỏ hộp nối dây vào mạch chính, đặt phần bảo vệ trên mạch chính, ngay chỗ dây từ jack đi vào.

5.2. Chân cảm biến, nút nhấn đi dây ra ngoài

Các chân GPIO nối trực tiếp ra đầu nối (cảm biến số, nút nhấn, công tắc hành trình, đầu vào analog) là chỗ ESP32, Arduino hay hỏng nhất. Cách làm đơn giản:

• diode ESD một chiều điện áp làm việc 3,3 V (hoặc 5 V với Arduino 5 V) từ chân tín hiệu xuống GND, đặt sát đầu nối;
• điện trở nối tiếp 100–330 Ω tới chân vi điều khiển;
• tụ nhỏ (1–10 nF) từ chân vào xuống GND nếu tín hiệu chậm, vừa lọc nhiễu vừa giúp hấp thụ xung.

Không đặt tụ, điện trở lớn trên đường giao tiếp nhanh như I2C, SPI tốc độ cao: chúng làm chậm sườn xung. Nếu I2C phải đi dây dài ra ngoài thì nên dùng mạch đệm chuyên dụng thay cho việc kéo thẳng dây từ chân ESP32.

5.3. Nguồn vào 12 V, 24 V

Đầu vào nguồn DC, nhất là nguồn 24 V trong tủ điện có relay, contactor, van điện từ, cần bảo vệ theo thứ tự: cầu chì, diode chống ngược, TVS, rồi mới tới mạch hạ áp. Chọn VRWM theo điện áp lớn nhất thật sự của nguồn, không theo con số danh định: nguồn 24 V chỉnh lên 26–28 V thì SMBJ24A có thể dẫn rò liên tục và nóng, khi đó chọn SMBJ28A.

TVS một chiều còn có tác dụng khi cắm ngược nguồn: nó dẫn thuận như diode thường, dòng lớn làm đứt cầu chì phía trước, mạch phía sau chỉ thấy khoảng −1 V. Cách này chỉ đúng khi có cầu chì đặt trước TVS. Cách chọn cầu chì có ở bài công tắc, nút nhấn, cầu chì và relay: cách chọn, cách nối với ESP32.

Điện áp kẹp của TVS 24 V lên tới gần 39 V, nên mạch hạ áp đặt sau nó phải chịu được điện áp vào cao hơn mức này. Một số mạch hạ áp nhỏ chỉ chịu tối đa 28–30 V: khi đó cần chọn mạch hạ áp dải vào rộng hơn, hoặc thêm điện trở, cuộn cảm nối tiếp và một tầng kẹp thứ hai. Phần cấp nguồn ổn định cho ESP32 có ở bài cấp nguồn cho ESP32 đúng cách.

5.4. Đường RS485

Chuẩn RS485 cho phép điện áp chung trên dây trong khoảng −7 V tới +12 V, nên TVS phải là loại hai chiều và không dẫn trong cả dải này. Có loại TVS không đối xứng làm riêng cho RS485 (ví dụ SM712), mỗi đường A, B một phần tử xuống GND. Dây RS485 thường dài hàng chục tới hàng trăm mét, đi ngoài trời hoặc trong nhà xưởng, nên đây là cổng nên bảo vệ kỹ nhất.

6. Script chọn TVS theo điện áp

Script dưới đây chứa bảng thông số một số mã TVS 600 W họ SMBJ…A. Nhập điện áp làm việc lớn nhất của đường dây và điện áp tối đa mà mạch phía sau chịu được, script chọn mã nhỏ nhất có VRWM đủ lớn, rồi so điện áp kẹp với giới hạn của mạch. Nếu VC vượt giới hạn, script gợi ý thêm điện trở nối tiếp và tầng kẹp thứ hai hoặc đổi linh kiện.

# PYWORLD.VN - Chọn diode TVS họ SMBJ (600 W) cho một đường nguồn hoặc tín hiệu: điện áp làm việc, điện áp kẹp, dòng xung chịu được
# PYWORLD.VN - So điện áp kẹp với giới hạn tuyệt đối của mạch phía sau; quá thì gợi ý thêm điện trở nối tiếp và tầng kẹp thứ hai
# PYWORLD.VN - Chạy: python chon_tvs.py 24 40   (đường 24 V, mạch phía sau chịu tối đa 40 V)
"""Chọn TVS họ SMBJ theo điện áp làm việc lớn nhất và giới hạn của linh kiện cần bảo vệ."""
from __future__ import annotations

import argparse

# (tên, VRWM điện áp làm việc, VBR nhỏ nhất, VC kẹp ở IPP, IPP dòng xung 10/1000 µs) theo bảng datasheet họ SMBJ…A
SMBJ = [("SMBJ5.0A", 5.0, 6.40, 9.2, 65.2), ("SMBJ12A", 12.0, 13.3, 19.9, 30.2), ("SMBJ15A", 15.0, 16.7, 24.4, 24.6),
        ("SMBJ24A", 24.0, 26.7, 38.9, 15.4), ("SMBJ28A", 28.0, 31.1, 45.4, 13.2),
        ("SMBJ33A", 33.0, 36.7, 53.3, 11.3), ("SMBJ36A", 36.0, 40.0, 58.1, 10.3)]


def chon(v_lam_viec: float, v_chiu_toi_da: float) -> list[str]:
    ra = [f"Duong {v_lam_viec:g} V, mach phia sau chiu toi da {v_chiu_toi_da:g} V"]
    ung = [t for t in SMBJ if t[1] >= v_lam_viec]
    if not ung:
        return ra + ["  Khong co trong bang: chon ho TVS dien ap cao hon"]
    ten, vrwm, vbr, vc, ipp = ung[0]
    ra.append(f"  Chon {ten}: VRWM {vrwm:g} V >= {v_lam_viec:g} V, bat dau dan khoang {vbr:g} V, kep {vc:g} V o {ipp:g} A")
    if vc <= v_chiu_toi_da:
        ra.append(f"  Dien ap kep {vc:g} V <= {v_chiu_toi_da:g} V: dat")
    else:
        ra.append(f"  Dien ap kep {vc:g} V > {v_chiu_toi_da:g} V: TVS mot minh chua du")
        ra.append("  -> them dien tro noi tiep va tang kep thu hai sat linh kien, hoac chon TVS kep thap hon / mach chiu ap cao hon")
    return ra


def main() -> None:
    ap = argparse.ArgumentParser(description=__doc__)
    ap.add_argument("v_lam_viec", type=float, nargs="?", help="dien ap lam viec lon nhat cua duong day, V")
    ap.add_argument("v_chiu", type=float, nargs="?", help="dien ap toi da mach phia sau chiu duoc, V")
    a = ap.parse_args()
    if a.v_lam_viec is None:
        for v, chiu in [(5.0, 6.5), (12.0, 30.0), (24.0, 40.0), (24.0, 36.0), (28.0, 50.0)]:
            print("\n".join(chon(v, chiu)))
        return
    print("\n".join(chon(a.v_lam_viec, a.v_chiu)))


if __name__ == "__main__":
    main()

Chạy không tham số để xem năm ví dụ, hoặc nhập số cụ thể:

python chon_tvs.py 24 40
python chon_tvs.py 12 30

Ví dụ đường 5 V với mạch phía sau chỉ chịu 6,5 V cho thấy một điều hay gặp: TVS 5 V kẹp ở 9,2 V khi dòng xung lớn, cao hơn nhiều so với mức chịu của chip 3,3 V hay 5 V. Vì vậy với đường tín hiệu nối vào chân vi điều khiển, phải có thêm điện trở nối tiếp để phần chênh lệch rơi trên điện trở. Số trong bảng là giá trị điển hình của họ SMBJ…A; khi đặt linh kiện thật, tra lại bảng thông số của đúng hãng sản xuất.

7. Lỗi hay gặp

8. Xem thêm

• Diode: tiếp giáp p-n, chỉnh lưu, chống cắm ngược nguồn và diode bảo vệ
• Chân D+ D− (DP, DM) trên jack USB Type-C
• Jack Type-C cái và điện trở 5,1 kΩ ở CC1, CC2
• Cấp nguồn cho ESP32 đúng cách: cổng USB, chân VIN, 3V3, pin 18650 và lỗi brownout
• ESP32 DevKit V1 30 chân, cổng Type-C, CP2102

Bài cùng cụm chủ đề: tụ decoupling, chọn giá trị và đặt đúng vị trí; mặt đồng ground plane và tách mass analog, digital.