Funcionamiento de los diodos TVS: sujeción ultrarrápida mediante ruptura por avalancha

Física de la ruptura por avalancha que permite una respuesta en nanosegundos ante transitorios

Los diodos TVS protegen los circuitos electrónicos contra daños en tan solo fracciones de segundo, gracias a su ingenioso uso de la ruptura por avalancha controlada en silicio polarizado en inversa. Cuando se produce una repentina sobretensión que supera el umbral que el diodo puede soportar (conocido como VBR), ocurre un fenómeno interesante a nivel atómico: la ionización por impacto desencadena una reacción en cadena en la que los electrones y los huecos se multiplican rápidamente, creando una trayectoria conductora que, en esencia, desvía instantáneamente la energía excesiva mediante un cortocircuito. Hablamos de tiempos de respuesta inferiores a un nanosegundo, lo que explica por qué estos componentes resultan tan eficaces frente a las molestas descargas electrostáticas, cuyos tiempos de subida son demasiado rápidos para que otras soluciones puedan responder. Su precisión depende en gran medida de cómo el fabricante dopa el material semiconductor durante la producción. Este ajuste cuidadoso permite a los ingenieros obtener valores de VBR dentro de márgenes bastante estrechos, normalmente alrededor de ±5 % a ±10 %. ¿Qué distingue a los diodos TVS frente a alternativas como los varistores (MOVs) o los tubos de descarga de gas? No dependen del aumento de temperatura ni de piezas móviles; más bien, aprovechan los fenómenos cuánticos que tienen lugar dentro de materiales en estado sólido, lo que les confiere un rendimiento extremadamente estable incluso ante fluctuaciones de temperatura o tras años de funcionamiento.

Comportamiento de sujeción en tiempo real durante eventos de ESD y sobretensión

Cuando se activan, los diodos TVS limitan las subidas repentinas de tensión a lo que se denomina tensión de sujeción (VC), normalmente alrededor de un 20-30 % superior a la tensión de ruptura (VBR). Por ejemplo, en los eventos de descarga electrostática (ESD) según la norma IEC 61000-4-2, que implican tensiones de subida muy rápidas con tiempos de subida de 5 nanosegundos, el diodo comienza a sujetar casi de forma instantánea, de hecho ya dentro del primer nanosegundo, evitando así que las peligrosas tensiones de pico alcancen los circuitos integrados sensibles ubicados aguas abajo. Para sobretensiones de mayor duración, como las formas de onda de 8/20 microsegundos especificadas en la norma IEC 61000-4-5, estos diodos soportan corrientes masivas, medidas en miles de amperios (IPP), desviándolas de forma segura hacia tierra mientras mantienen la tensión de sujeción (VC) por debajo de los niveles que podrían dañar los componentes conectados. Existen dos tipos principales: los modelos bidireccionales funcionan excelentemente en conexiones de corriente alterna (CA), donde la polaridad no es relevante, mientras que las versiones unidireccionales ofrecen un mejor rendimiento en sistemas de corriente continua (CC), ya que presentan una menor tensión directa durante la sujeción. No obstante, lo que realmente hace útiles a los diodos TVS es su capacidad de auto-reinicio: tras la pasada del pico de tensión, vuelven automáticamente a su estado normal de alta resistencia, sin necesidad de ningún tipo de reinicio manual ni de lidiar con problemas de bloqueo (latch-up) que pueden afectar a otros dispositivos de protección.

Parámetros clave del diodo TVS que todo ingeniero debe comprender

VRWM, VBR, VC e IPP: cómo traducir las especificaciones de la hoja de datos en márgenes de protección robustos

Cuatro parámetros rigen la selección adecuada del TVS y la fiabilidad a nivel de sistema:

• V _RWM (Tensión de retención inversa) debe superar la tensión máxima de funcionamiento del circuito —idealmente en un 10–15 %— para evitar corrientes de fuga o disparos falsos durante el funcionamiento normal.
• V _BR (voltaje de ruptura) define el inicio de la conducción por avalancha; para un margen óptimo, debe ser 1,2–1,5 × V _RWM .
• V _Do (Tensión de limitación) es la tensión máxima que experimentan los componentes aguas abajo durante una corriente de impulso pico I _PP especificada; debe permanecer de forma segura por debajo del umbral mínimo de daño de los circuitos integrados protegidos.
• I _PP (Corriente de impulso pico) cuantifica la capacidad de manejo de sobretensiones bajo formas de onda estandarizadas (por ejemplo, 8/20 μs); los valores más altos indican una mayor capacidad de absorción de energía.

Los ingenieros deben aplicar una reducción del 20 % a I _PP por cada aumento de 50 °C por encima de la temperatura ambiente de 25 °C y verificar V _BR tolerancia frente a la temperatura para garantizar márgenes de protección consistentes.

Consideraciones sobre la capacitancia en interfaces de alta velocidad (USB, HDMI, Ethernet)

Capacitancia de unión (C _J ) afecta directamente la integridad de la señal en líneas de datos de alta velocidad. Incluso pequeñas cantidades de capacitancia adicional atenúan el contenido de alta frecuencia y distorsionan las tasas de cambio de flanco, lo que podría provocar errores de bit o fallos en la conexión. Los valores objetivo son muy exigentes:

• USB 3.2 Gen 2 (10 Gbps): ≤1,0 pF
• HDMI 2.1 (48 Gbps): ≤0,3 pF
• ethernet 10GbE: ≤0,8 pF

Los diodos TVS bidireccionales tienen naturalmente una capacitancia mayor que sus homólogos unidireccionales debido a su diseño de doble unión. Al intentar reducir esos molestos efectos parásitos, resulta lógico colocar los componentes TVS de baja capacitancia a una distancia no superior a aproximadamente un centímetro y medio (media pulgada) de los conectores o de las pistas de los circuitos integrados. También es importante asegurarse de que las pistas sean anchas y rectas; para la mayoría de las aplicaciones, un ancho mínimo de 20 mils funciona bien. Además, es fundamental conectar correctamente la pista de tierra: debe conectarse directamente a un plano de referencia sólido y estable mediante varios vías, y no solo uno. Esto ayuda a reducir la impedancia inductiva, que, si no se controla, puede agravar los problemas de sobretensión.

Cumplimiento y rendimiento de los diodos TVS en escenarios de amenazas normalizados

Cumplimiento de los requisitos de las normas IEC 61000-4-2 (descargas electrostáticas), -4-4 (ráfagas de transitorios) y -4-5 (sobretensiones)

Los diodos TVS están diseñados para cumplir con esos exigentes requisitos de inmunidad y, por lo general, superan lo requerido. En cuanto a los estándares IEC 61000-4-2, estos componentes pueden soportar rápidamente esas intensas descargas electrostáticas (ESD) de contacto de 30 kV, deteniéndolas antes de que dañen microcontroladores sensibles o circuitos integrados de interfaz, ya sea de forma inmediata o progresiva. Además, funcionan excelentemente frente a ráfagas repetidas de sobretensiones transitorias (EFT), según la norma IEC 61000-4-4 y en frecuencias de aproximadamente 5 kHz a 100 kHz. Su rápido tiempo de recuperación, combinado con una baja resistencia dinámica, permite que estos diodos desvíen eficazmente picos transitorios de varios amperios en líneas de datos sin interferir en las comunicaciones. Durante las pruebas de sobretensión de alta energía según las especificaciones IEC 61000-4-5, los diodos TVS debidamente certificados pueden soportar sobretensiones de hasta 6 kV/3 kA entre líneas y tierra, manteniendo su rendimiento estable y sin sufrir fallos importantes. Las pruebas independientes demuestran que funcionan correctamente en rangos de temperatura extremos (desde -40 °C hasta +125 °C), cumpliendo así los estándares de inmunidad Clase 4. A los ingenieros de diseño les encanta cómo estos componentes integran toda la protección en un único elemento fiable, eliminando la necesidad de múltiples capas de filtros y otros dispositivos limitadores. Esta simplificación reduce el número de componentes necesarios en la lista de materiales, facilita la certificación y, en general, mejora la fiabilidad de los productos una vez desplegados en campo.

Selección práctica de diodos TVS y mejores prácticas para el diseño de la disposición en la placa de circuito impreso (PCB)

Diodos TVS bidireccionales frente a unidireccionales: coincidencia de polaridad, conexión a tierra y cobertura de fallos

Al decidir entre diodos TVS bidireccionales y unidireccionales, los ingenieros deben considerar cómo se enrutan las señales a través del sistema y qué tipo de fallos podrían ocurrir. Las opciones bidireccionales funcionan como dos diodos de avalancha conectados en serie, cara a cara, lo que las hace necesarias para conexiones de corriente alterna acopladas o flotantes, como las que encontramos en interfaces tales como RS-485, HDMI y Ethernet, donde los picos de tensión pueden provenir de cualquiera de las dos direcciones. Por su parte, las versiones unidireccionales ofrecen un mejor rendimiento al limitar tensiones en circuitos de corriente continua, ya que conducen la electricidad con mayor eficiencia ante transitorios positivos y, además, bloquean el flujo de corriente ante picos negativos. Sin embargo, equivocarse en esta elección tiene una gran repercusión: colocar un diodo unidireccional en una línea de comunicación bidireccional deja brechas en la protección contra sobretensiones negativas, lo que podría dañar componentes sensibles ubicados aguas abajo. La conexión a tierra es igualmente crítica en este contexto. La mejor práctica consiste en utilizar pistas de cobre cortas y anchas desde el cátodo del diodo TVS (o desde el punto compartido en los modelos bidireccionales) directamente hacia un plano de tierra sólido, con varios vías térmicas para garantizar estabilidad. Una mala conexión a tierra provoca molestos fenómenos de «rebote de tierra» que reducen la eficacia de la protección contra sobretensiones, llegando incluso, según diversas pruebas industriales sobre comportamiento transitorio, a disminuirla casi a la mitad.

Colocación óptima: minimización de la inductancia de las pistas y maximización de la eficacia de la protección

La forma en que se diseña una placa de circuito impreso (PCB) afecta realmente más al rendimiento de los supresores de transitorios (TVS) que simplemente analizar las especificaciones de los componentes. El diodo debe colocarse a no más de medio centímetro aproximadamente del conector o del pin del circuito integrado (CI) protegido. Cada centímetro adicional introduce aproximadamente 10 nanohenrios de inductancia en serie, lo que puede retrasar la acción de limitación y permitir que ocurran picos de tensión peligrosos durante eventos de descarga electrostática (ESD). Al trazar las pistas, prefiera líneas rectas y manténgalas anchas (como mínimo 20 mil), evitando los ángulos rectos, que generan problemas de impedancia. Para interfaces de alta velocidad, coloque el TVS lo más cerca posible del propio conector. Conecte la pista de tierra directamente al plano de referencia mediante tres o más vías equidistantes. Esto crea una buena ruta de retorno de baja inductancia que desvía más del 90 % de la corriente de sobretensión lejos de los circuitos delicados. Pruebas reales realizadas conforme a la norma IEC 61000-4-2 han demostrado que estas técnicas de diseño reducen aproximadamente a la mitad el tiempo de exposición a transitorios en comparación con métodos anteriores que utilizaban conexiones en cascada a tierra o esas molestas conexiones en derivación largas.