Jak fungují TVS diody: Ultra-rychlé uzemnění (clamping) prostřednictvím lavinového průrazu

Fyzika lavinového průrazu umožňující reakci v nanosekundovém čase na přechodné jevy

TVS diody chrání elektronické obvody před poškozením během zlomku sekundy díky chytrému využití řízené lavinové průrazného jevu v křemíku polarizovaném v závěrném směru. Když dojde k náhlému nárůstu napětí nad hodnotu, kterou dioda ještě zvládne (tzv. VBR), proběhne na atomární úrovni zajímavý proces. Impaktní ionizace spustí řetězovou reakci, při níž se elektrony a díry rychle množí a vytvářejí vodivou cestu, která efektivně „zkratuje“ přebytečnou energii okamžitě. Mluvíme zde o dobech odezvy kratších než jeden nanosekunda, což je právě důvod, proč tyto součástky tak výborně odolávají nepříjemným elektrostatickým výbojům, jejichž nárust je příliš rychlý na to, aby je jiná řešení stačila zvládnout. Přesnost TVS diod závisí především na tom, jak výrobce při výrobě dopuje polovodičový materiál. Toto pečlivé ladění umožňuje inženýrům dosáhnout hodnot VBR v poměrně úzkých tolerancích, obvykle kolem ±5 % až ±10 %. Čím se TVS diody odlišují od alternativních řešení, jako jsou varistory (MOV) nebo plynové výbojky? Nezáleží na nárůstu teploty ani na pohyblivých částech. Namísto toho využívají kvantové jevy probíhající uvnitř pevných polovodičových materiálů, čímž získávají výjimečně stabilní výkon i při kolísání teploty nebo po letech provozu.

Chování upínání v reálném čase během událostí ESD a přepětí

Při aktivaci varistorové diody (TVS) omezují náhlé napěťové špičky na tzv. uzavírací napětí (VC), které obvykle činí přibližně o 20 až 30 % více než prahové napětí průrazu (VBR). Jako příklad lze uvést události elektrostatického výboje (ESD) podle normy IEC 61000-4-2, tj. rychle stoupající napětí s dobou náběhu 5 nanosekund. Dioda začne uzavírat téměř okamžitě – ve skutečnosti již během první nanosekundy – a tak zabrání nebezpečným špičkovým napětím, aby se dostaly k citlivým integrovaným obvodům v následující části obvodu. U delších napěťových přepětí, jako jsou vlnové tvary o délce 8/20 mikrosekund specifikované v normě IEC 61000-4-5, tyto diody bezpečně odvádějí obrovské proudy měřené v tisících ampérů (IPP) do země, přičemž udržují uzavírací napětí (VC) na úrovni, která nepoškodí připojené komponenty. Existují také dva hlavní typy: obousměrné modely jsou výborné pro střídavé připojení, kde polarita není důležitá, zatímco jednosměrné verze nabízejí lepší výkon v stejnosměrných systémech, protože mají nižší vstupní napětí v uzavíracím režimu. Skutečnou výhodou TVS diod je však jejich schopnost automaticky se resetovat. Po průchodu jakéhokoli napěťového spike se vrátí samy do svého normálního stavu s vysokým odporem – není třeba žádné ruční resetování ani řešení problémů s uzamčením (latch-up), které mohou trápit jiná ochranná zařízení.

Klíčové parametry TVS diod, které musí každý inženýr pochopit

VRWM, VBR, VC a IPP — převod technických parametrů z datového listu na spolehlivé ochranní mezery

Čtyři parametry určují účinný výběr TVS a spolehlivost na úrovni celého systému:

• V _RWM (Napětí závěrného stavu) musí překročit maximální provozní napětí obvodu – ideálně o 10–15 % – aby nedošlo k únikovému proudu nebo falešnému spouštění za normálních provozních podmínek.
• V _BR (průrazné napětí) určuje začátek lavinové vodivosti; pro optimální bezpečnostní mezeru by měl být 1,2–1,5× V _RWM .
• V _C (Omezovací napětí) je maximální napětí, které je naměřeno na komponentách napájených z následujícího stupně během stanoveného proudu I _PP ; musí zůstat bezpečně pod minimálním prahem poškození chráněných integrovaných obvodů.
• Já _PP (Maximální pulzní proud) kvantifikuje kapacitu zvládání přepětí při standardizovaných průbězích (např. 8/20 μs); vyšší hodnoty znamenají větší schopnost absorpce energie.

Inženýři by měli na proud I použít snížení o 20 % _PP pro každé zvýšení teploty o 50 °C nad okolní teplotu 25 °C a ověřit napětí V _BR tolerance vůči teplotním změnám pro zajištění konzistentních bezpečnostních mezí.

Zohlednění kapacity pro rozhraní s vysokou rychlostí přenosu dat (USB, HDMI, Ethernet)

Kapacita přechodu (C _J ) má přímý vliv na integritu signálu na vodičích dat s vysokou rychlostí přenosu. I malé množství přidané kapacity potlačuje obsah vyšších frekvencí a zkresluje rychlost náběžné hrany – což může způsobit chyby bitů nebo selhání spojení. Požadované hodnoty jsou přísné:

• USB 3.2 Gen 2 (10 Gb/s): ≤1,0 pF
• HDMI 2.1 (48 Gb/s): ≤0,3 pF
• 10GbE Ethernet: ≤0,8 pF

Obousměrné TVS diody mají přirozeně vyšší kapacitu než jejich jednosměrné protějšky, protože využívají konstrukci se dvěma přechody. Pokud se snažíme snížit tyto obtížné parazitní účinky, je rozumné umístit TVS součástky s nízkou kapacitou ve vzdálenosti nejvýše přibližně 1,27 cm od konektorů nebo páskových plošek integrovaných obvodů. Dále je důležité, aby vodivé dráhy byly široké a rovné; šířka minimálně 0,5 mm se pro většinu aplikací osvědčila dobře. Správné připojení uzemňovací plošky také hraje klíčovou roli. Připojte ji přímo k pevné, kvalitní referenční rovině pomocí několika průchodových otvorů (via) místo pouze jednoho. Tím se snižuje induktivní impedance, která – pokud není řádně omezena – může problémy s překmity napětí dokonce zhoršit.

Shoda a výkon TVS diod v normalizovaných scénářích hrozeb

Splnění požadavků norem IEC 61000-4-2 (ESD), -4-4 (EFT) a -4-5 (přepětí)

TVS diody jsou navrženy tak, aby splnily ty náročné požadavky na odolnost a obvykle přesahují to, co je vyžadováno. Pokud jde o normu IEC 61000-4-2, tyto komponenty dokáží velmi rychle zvládnout intenzivní ESD pulzy kontaktu o napětí až 30 kV a zastavit je dříve, než poškodí citlivé mikrokontroléry nebo rozhranové integrované obvody – buď okamžitě, nebo postupně v průběhu času. Výborně fungují také při opakovaných rázových přepěťových blescích (podle normy IEC 61000-4-4 v pásmu frekvencí přibližně 5 kHz až 100 kHz). Krátká doba obnovy v kombinaci s nízkým dynamickým odporem znamená, že tyto diody dokáží odvést víceampérové přechodné špičky z datových linek, aniž by došlo k narušení komunikace. Při zkouškách vysokorychlostních přepětí podle specifikací IEC 61000-4-5 dokážou řádně certifikované TVS diody odolat rázovým přepětím až 6 kV/3 kA mezi vodičem a uzemněním, přičemž si zachovají stabilní výkon bez významných poruch. Nezávislé zkoušky ukazují, že tyto diody spolehlivě fungují v extrémně širokém teplotním rozsahu (od −40 °C až po +125 °C) a splňují požadavky třídy odolnosti 4. Konstrukční inženýři oceňují, že tyto součástky umožňují zkoncentrovat ochranu do jednoho spolehlivého prvku místo nutnosti používat vícevrstvé filtry a další omezovače napětí. Toto zjednodušení snižuje počet součástek uvedených v seznamu materiálů (BOM), usnadňuje certifikaci a obecně přispívá ke zlepšení spolehlivosti výrobků v reálném provozu na místě nasazení.

Praktický výběr TVS diod a osvědčené postupy pro rozvádění plošných spojů

Obousměrné vs. jednosměrné TVS diody: přizpůsobení polarity, uzemnění a pokrytí poruch

Při rozhodování mezi obousměrnými a jednosměrnými TVS diodami musí inženýři zvážit, jak jsou signály v systému směrovány, a jaké druhy poruch mohou nastat. Obousměrné varianty fungují jako dvě lavinové diody zapojené vzájemně proti sobě a jsou proto nezbytné u AC vazeb nebo plovoucích připojení, jako například u rozhraní RS-485, HDMI a Ethernet, kde napěťové špičky mohou pocházet z libovolného směru. Jednosměrné verze naopak lépe omezují napětí v stejnosměrných obvodech, protože efektivněji vedou elektrický proud při kladných přechodných jevech a zároveň blokují proud při záporných špičkách. Chyba v této volbě má však značný dopad: umístění jednosměrné diody na obousměrnou komunikační linku vytvoří mezery v ochraně proti záporným přepětím, která mohou poškodit citlivé komponenty v následných částech obvodu. Stejně důležitá je i uzemnění. Nejlepší praxe spočívá v použití krátkých a širokých měděných stop, které vedou přímo od katody TVS diody (nebo od společného bodu u obousměrných modelů) k pevné uzemňovací rovině s několika tepelnými přechodovými otvory (thermal vias) za účelem zajištění stability. Špatné uzemnění způsobuje nepříjemné jevy tzv. „ground bounce“ (skoky uzemnění), které podstatně snižují účinnost ochrany proti přepětí – podle různých průmyslových testů chování přechodných jevů dokonce až zhruba o polovinu.

Optimální umístění: minimalizace indukčnosti vodivé dráhy a maximalizace účinnosti ochrany

Způsob, jakým je deska plošných spojů (PCB) navržena, má ve skutečnosti větší vliv na výkon ochranných tranzistorových usměrňovačů (TVS) než pouhé prohlížení specifikací součástek. Dioda by měla být umístěna ve vzdálenosti nejvýše přibližně půl centimetru od konektoru nebo ochraňovaného vývodu integrovaného obvodu (IC). Každý další centimetr přidává přibližně 10 nanohenriů sériové indukčnosti, což může způsobit zpoždění uzavírací akce a umožnit nebezpečné napěťové špičky během událostí elektrostatického výboje (ESD). Při vedení spojů používejte přímé čáry a udržujte je co nejširší (alespoň 20 mil), přičemž se vyhýbejte pravým úhlům, které způsobují problémy s impedancí. U rozhraní s vysokou rychlostí umisťujte ochranný TVS co nejblíže samotnému konektoru. Uzemňovací plošku připojte přímo k referenční rovině pomocí tří nebo více rovnoměrně rozmístěných průchodových otvorů (vias). Tím vznikne vhodná nízkoindukční návratová cesta, která odvádí více než 90 procent proudového nárazu pryč od citlivé elektroniky. Reálné testy prováděné podle standardu IEC 61000-4-2 ukázaly, že tyto techniky uspořádání snižují dobu expozice přechodovým jevům přibližně o polovinu ve srovnání se staršími metodami, jako je řetězové uzemnění nebo ty obtížné dlouhé odbočky (stub connection).