كيف تعمل ديودات TVS: التقييد فائق السرعة عبر انهيار الانزلاق (Avalanche Breakdown)

فيزياء انهيار الانزلاق التي تُمكِّن الاستجابة في نطاق النانوثانية للظواهر العابرة

تحمي ديودات TVS الدوائر الإلكترونية من التلف في جزء ضئيل جدًّا من الثانية، وذلك بفضل استغلالها الذكي لظاهرة الانهيار الانزلاقي المُتحكَّم فيه في السيليكون المشحون عكسياً. وعندما يحدث ارتفاع مفاجئ في الجهد يتجاوز الحد الذي يمكن للديود تحمله (ويُعرف هذا الحد بـ VBR)، تحدث ظاهرة مثيرة للاهتمام على المستوى الذري: إذ يبدأ تأين الاصطدام فيُحفِّز سلسلة تفاعلاتٍ تؤدي إلى تضاعف سريعٍ للإلكترونات والثقوب، مكوِّنةً بذلك مساراً موصلًا يُوجِّه الطاقة الزائدة بعيدًا عن الدائرة في غضون جزءٍ من الثانية تقريبًا. ونحن نتحدث هنا عن أزمنة استجابة تقل عن نانوثانية واحدة، ولذلك فإن هذه المكوِّنات فعَّالة للغاية في مواجهة تفريغات الكهرباء الساكنة المزعجة التي ترتفع بسرعةٍ بالغة لا تسمح لغيرها من الحلول بالاستجابة لها في الوقت المناسب. ويعتمد دقة هذه الديودات إلى حدٍ كبير على طريقة تشويب المادة شبه الموصلة من قِبل الشركة المصنِّعة أثناء عملية التصنيع. وهذه الضبط الدقيق يتيح للمهندسين الحصول على قيم VBR ضمن نطاقات ضيِّقة جدًّا، وعادةً ما تكون ضمن هامش ±5% إلى ±10%. فما الذي يجعل ديودات TVS مميَّزةً مقارنةً بالبدائل مثل مقاومات MOV أو أنابيب التفريغ الغازية؟ إنها لا تعتمد على تراكم الحرارة أو وجود أجزاء متحركة؛ بل تعتمد بدلًا من ذلك على تلك الظواهر الكمومية التي تحدث داخل المواد الصلبة، مما يمنحها أداءً ثابتًا وموثوقًا حتى عند تقلُّبات درجات الحرارة أو بعد سنواتٍ من التشغيل.

سلوك التثبيت في الوقت الفعلي أثناء أحداث التفريغ الكهروستاتيكي والذروة

عند تفعيلها، تقوم ديودات TVS بالحد من قفزات الجهد المفاجئة إلى ما يُسمى بجهد التقييد (VC)، والذي يكون عادةً أعلى بنسبة 20 إلى 30 في المئة تقريبًا من جهد الانهيار (VBR). فعلى سبيل المثال، أحداث التفريغ الكهروستاتيكي وفق معيار IEC 61000-4-2 تتضمّن جهودًا تزداد بسرعةٍ فائقة مع زمن ارتفاع قدره 5 نانوثانية. ويبدأ الديود في عملية التقييد فورًا تقريبًا — بل وفي النانوثانية الأولى فعليًّا — لذا فإنه يمنع وصول قمم الجهد الخطرة إلى الدوائر المتكاملة الحساسة الواقعة في الجزء السفلي من الدائرة. أما بالنسبة لذروات الطاقة الأطول استمرارًا، مثل موجات الـ8/20 ميكروثانية المحددة في معايير IEC 61000-4-5، فإن هذه الديودات تتعامل مع تيارات هائلة تُقاس بعدة آلاف من الأمبيرات (IPP)، وتُوجِّهها بأمانٍ إلى الأرض بينما تحافظ على جهد التقييد (VC) عند مستويات لا تؤدي إلى إتلاف المكونات المتصلة. وهناك نوعان رئيسيان منها: فالنماذج ثنائية الاتجاه تعمل بكفاءة عالية في الاتصالات التيار المتناوب (AC) حيث لا يهم اتجاه الاستقطاب، في حين أن الإصدارات أحادية الاتجاه تقدّم أداءً أفضل في أنظمة التيار المستمر (DC) لأنها تمتلك جهدًا أماميًّا أقل أثناء عملية التقييد. أما ما يجعل ديودات TVS مفيدةً حقًّا فهو طبيعتها التي تعيد تهيئتها ذاتيًّا؛ إذ بعد مرور أي قفزة جهدٍ، تعود تلقائيًّا إلى حالتها العادية ذات المقاومة العالية دون الحاجة إلى أي إعادة تهيئة يدوية أو التعامل مع مشكلات الانغلاق (latch-up) التي قد تُعاني منها أجهزة الحماية الأخرى.

المعلمات الرئيسية لمُثبِّت الجهد المُتحمّل (TVS) التي يجب أن يفهمها كل مهندس

VRWM، VBR، VC، وIPP — ترجمة مواصفات ورقة البيانات إلى هامش حمايةٍ قويٍّ

أربعة معايير تحكم في اختيار مُثبِّت الجهد المُتحمّل (TVS) الفعّال وموثوقية النظام على المستوى الكلي:

• الخامس _RWM (جهد التوقف العكسي) يجب أن يفوق أقصى جهد تشغيل للدارة — وبشكلٍ مثاليٍّ بنسبة ١٠–١٥٪ — لتفادي التسريب أو التشغيل الخاطئ أثناء التشغيل الطبيعي.
• الخامس _BR (جهد الانهيار) يُعرِّف بداية التوصيل بالانهيار؛ وللحصول على هامشٍ مثاليٍّ، ينبغي أن يكون ١,٢–١,٥ ضعف قيمة V _RWM .
• الخامس _ج (جهد التقييد) هو أقصى جهد تتعرَّض له المكوّنات الواقعة بعد المُثبِّت خلال تيار ذروة نبضيٍّ محدَّد I _{بي بي} ؛ ويجب أن يظل بأمانٍ أقل من الحد الأدنى لعتبة التلف للمكونات المتكاملة (ICs) المحميَّة.
• أنا _{بي بي} (تيار النبضة الأقصى) يُحدِّد سعة التعامل مع التيار الزائد وفقًا لموجات قياسية (مثل: 8/20 ميكروثانية)؛ فكلما زادت القيمة، زادت القدرة على امتصاص الطاقة.

يجب على المهندسين تطبيق تخفيض بنسبة 20% في قيمة التيار I _{بي بي} عن كل ارتفاع بمقدار 50°م فوق درجة حرارة الجو المحيطة البالغة 25°م، والتحقق من قيمة الجهد V _BR التحمل عبر نطاق درجات الحرارة لضمان هوامش حماية متسقة.

اعتبارات السعة الكهربائية للواجهات عالية السرعة (USB، HDMI، Ethernet)

سعة الوصل (C _ج ) تؤثر بشكل مباشر على سلامة الإشارة في خطوط البيانات عالية السرعة. بل إن كميات صغيرة جدًّا من السعة المُضافة قد تُخفِّض المحتوى عالي التردد وتُشوِّه معدلات ارتفاع وانخفاض الإشارة — ما قد يؤدي إلى أخطاء في البت أو فشل الاتصال. والقيم المستهدفة صارمة للغاية:

• USB 3.2 Gen 2 (10 غيغابت/ثانية): ≤1.0 بيكومفاراد
• HDMI 2.1 (48 غيغابت/ثانية): ≤0.3 بيكومفاراد
• ethernet بسرعة 10 غيغابت/ثانية: ≤0.8 بيكومفاراد

تتميز ثنائيات التوتر المُتحوِّلة ذات الاتجاهين بطبيعتها بسعةٍ كهربائيةٍ أعلى مقارنةً بنظيراتها أحادية الاتجاه، وذلك بسبب تصميمها ذي الوصلتين المزدوجتين. وعند محاولة تقليل تلك التأثيرات الضارة غير المرغوب فيها (البارازيتية)، فإن من المنطقي وضع مكونات ثنائيات التوتر المُتحوِّلة منخفضة السعة على بُعد لا يتجاوز نصف إنش تقريبًا عن الموصلات أو وصائل الدوائر المتكاملة (IC pads). ومن الأمور المهمة أيضًا جعل المسارات (traces) عريضةً ومستقيمةً، حيث إن العرض الذي يبلغ ٢٠ ميل (mil) على الأقل يكون مناسبًا لمعظم التطبيقات. كما أن الاتصال الصحيح للوحظة الأرضية (ground pad) يكتسي أهميةً بالغة؛ فيجب توصيلها مباشرةً بمستوى مرجعي (reference plane) قويٍّ وموثوقٍ باستخدام عدة ثقوب اتصال (vias) بدلًا من ثقب واحد فقط. فهذا يساعد في خفض الممانعة الحثية (inductive impedance)، والتي قد تؤدي—إذا تركت دون رقابة—إلى تفاقم مشكلة تجاوز الجهد (voltage overshoot).

امتثال ثنائيات التوتر المُتحوِّلة (TVS) وأداؤها في سيناريوهات التهديدات القياسية

الامتثال لمتطلبات المواصفات القياسية IEC 61000-4-2 (التفريغ الكهروستاتيكي ESD)، وIEC 61000-4-4 (الانبعاثات الكهرومغناطيسية العابرة EFT)، وIEC 61000-4-5 (الذروة الكهربائية Surge)

تم تصميم ديودات الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (TVS) لتحمل متطلبات التحمل الصعبة، وغالبًا ما تتجاوز هذه المتطلبات المحددة. فعندما يتعلق الأمر بمعايير IEC 61000-4-2، يمكن لهذه المكونات التعامل مع نبضات التفريغ الكهروستاتيكي العنيفة جدًّا البالغة ٣٠ كيلوفولت عند التفريغ بالاتصال مباشرةً، وبسرعةٍ فائقةٍ، مما يمنعها من إلحاق الضرر بالمتحكمات الدقيقة الحساسة أو دوائر التكامل الخاصة بالواجهات إما فورًا أو تدريجيًّا على المدى الطويل. كما تعمل هذه الديودات بكفاءة عاليةٍ مع انفجارات التداخل الكهرومغناطيسي المتكررة (EFT) أيضًا (وفقًا للمعيار IEC 61000-4-4 عند الترددات الممتدة بين ٥ كيلوهرتز و١٠٠ كيلوهرتز). ويعني زمن الاستعادة السريع مقترنًا بمقاومة ديناميكية منخفضة أن هذه الديودات قادرةٌ على صد الذروات العابرة ذات التيارات المتعددة الأمبير من خطوط البيانات دون الإخلال بعمليات الاتصال. وخلال اختبارات التيار الزائد عالي الطاقة وفق مواصفات IEC 61000-4-5، تستطيع ديودات TVS المعتمدة رسميًّا تحمل صدمات تصل إلى ٦ كيلوفولت/٣ كيلوأمبير بين اتصالات الخط والأرض مع الحفاظ على استقرار أدائها دون حدوث أعطال جوهرية. وتُظهر الاختبارات المستقلة أن هذه الديودات تعمل بكفاءة في نطاق درجات حرارة شديد التطرف (من -٤٠°م وحتى +١٢٥°م)، محقِّقةً معايير التحمل من الفئة الرابعة. ويقدِّر مهندسو التصميم طريقة عمل هذه المكونات التي تدمج وظائف الحماية في عنصر واحد موثوق بدلًا من الحاجة إلى طبقات متعددة من المرشحات وأجهزة التقييد الأخرى. وهذه التبسيطات تؤدي إلى خفض عدد المكونات المطلوبة في قائمة المواد (BOM)، وتسهيل عملية الاعتماد، وتحقيق موثوقية أعلى عمومًا عند تشغيل المنتجات فعليًّا في الميدان.

ممارسات الاختيار العملية لمداخن الترانزستورات المُتحمّلة للجهد (TVS) وتصميم لوحة الدوائر المطبوعة وفق أفضل الممارسات

مداخن الترانزستورات المُتحمّلة للجهد ثنائية الاتجاه مقابل أحادية الاتجاه: مطابقة الاستقطاب، والتوصيل بالأرض، وتغطية الأعطال

عند اتخاذ القرار بين ثنائي الاتجاه وواحد الاتجاه من ديودات TVS، يجب على المهندسين أخذ طريقة توجيه الإشارات عبر النظام وأنواع الأعطال المحتملة في الاعتبار. وتؤدي الخيارات ثنائية الاتجاه وظيفةً مشابهةً لتركيب ديودين انزلاقيين مُوصَّلين تسلسليًّا عكس اتجاه بعضهما البعض، مما يجعلها ضروريةً في حالات الاتصال المُقترن بالتيار المتناوب أو الاتصالات العائمة التي نراها في واجهات مثل RS-485 وHDMI والإيثرنت، حيث يمكن أن تنشأ قمم الجهد من أيٍّ من الاتجاهين. أما إصدارات ديودات TVS أحادية الاتجاه فهي فعلاً أكثر كفاءةً في تثبيت جهود التشغيل في الدوائر المستمرة (DC)، لأنها تُوصِّل التيار الكهربائي بكفاءة أعلى عند التعامل مع القمم الموجبة، كما أنها تمنع مرور التيار عند حدوث قمة سالبة. ومع ذلك، فإن الخطأ في هذا الاختيار له تداعياتٌ جسيمةٌ جدًّا: فتركيب ديود أحادي الاتجاه على خط اتصال ثنائي الاتجاه يترك فجواتٍ في الحماية ضد الذروات السالبة، ما قد يتسبب في تلف المكونات الحساسة الواقعة لاحقًا في المسار. ولا تقل أهمية اتصال الأرض عن ذلك. وأفضل الممارسات تتضمَّن استخدام مسارات نحاسية قصيرة وعريضة تمتد مباشرةً من قطب الكاثود الخاص بديود TVS (أو من النقطة المشتركة في النماذج ثنائية الاتجاه) إلى مستوى أرضي متين، مع توفير عدة ثقوب حرارية (Thermal Vias) لتحقيق الاستقرار. أما سوء التأريض فيُسبِّب مشكلاتٍ مزعجةً تُعرَف باسم «ارتداد الأرض» (Ground Bounce)، والتي تُضعف فعالية حماية الدوائر من الصدمات الكهربائية، بل وقد تقللها أحيانًا بنسبة تصل إلى النصف تقريبًا وفقًا لاختبارات صناعية مختلفة تناولت سلوك الظواهر العابرة.

التثبيت الأمثل: تقليل الحث الناتج عن المسارات إلى أدنى حدٍ وتعظيم فعالية الحماية

في الواقع، ترتيب لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) يؤثر أكثر على أداء مقاومات التصريف الجوي (TVS) مقارنةً بالاعتماد فقط على مواصفات المكونات. وينبغي تركيب الصمام الثنائي على بُعد لا يتجاوز نصف سنتيمتر تقريبًا عن الموصل أو دبوس الدائرة المتكاملة (IC) المحمية. فكل سنتيمتر إضافي يُدخل ما يقارب ١٠ نانوهنري من الحث التسلسلي، مما قد يؤخّر عملية التقييد (Clamping) ويسمح بحدوث قمم جهد خطرة أثناء أحداث التفريغ الكهروستاتيكي (ESD). وعند تخطيط المسارات (Traces)، ينبغي اعتماد خطوط مستقيمة مع جعلها عريضة (بعرض لا يقل عن ٢٠ ميل)، وتجنُّب المنعطفات ذات الزوايا القائمة التي تُحدث مشاكل في المعاوقة. أما بالنسبة للواجهات عالية السرعة، فيجب وضع مقاومة التصريف الجوي (TVS) في أقرب موقع ممكن بجانب الموصل نفسه. ويرتبط وصلة الأرض (Ground Pad) مباشرةً بالمستوى المرجعي (Reference Plane) باستخدام ثلاث ثقوب توصيل (Vias) أو أكثر، وموزَّعة بشكل منتظم. وهذا يشكّل مسار عودة جيِّد ومنخفض الحث، بحيث يحوِّل أكثر من ٩٠٪ من تيار الذروة بعيدًا عن الدوائر الحساسة. وقد أظهرت الاختبارات العملية التي أُجريت وفق معايير IEC 61000-4-2 أن هذه الأساليب في التصميم تقلِّل زمن التعرُّض للظواهر العابرة (Transient Exposure Times) بنسبة تقارب النصف مقارنةً بالأساليب القديمة التي تعتمد على توصيلات أرضية متسلسلة (Daisy-chained Grounds) أو تلك التوصيلات الفرعية الطويلة المزعجة (Long Stub Connections).