چگونه دیودهای TVS کار می‌کنند: شکست آوانله و مکانیسم حفاظت در برابر ESD

واکنش شکست آوانله به رویدادهای اضافه ولتاژ گذرا

دیودهای TVS با استفاده از شکست کنترل‌شده نوع ریزشی در اتصالات P-N خود، مدارهای الکترونیکی را محافظت می‌کنند. معمولاً این قطعات در حالت عادی بدون انجام کار خاصی، با مقاومت بالا وجود دارند و بنابراین در عملکرد عادی مدار تداخلی ایجاد نمی‌کنند. اما هنگامی که اتفاقی رخ می‌دهد و ولتاژ به بیش از حد مجاز افزایش می‌یابد، دیود تقریباً بلافاصله فعال می‌شود. در عرض تریلیونیم‌های یک ثانیه، مسیر کوتاهی ایجاد می‌کند که جریان‌های خطرناک الکتریکی را از قطعات حساس مدار منحرف می‌کند. آنچه این قطعه را شگفت‌انگیز می‌کند، قابلیت اطمینان بسیار بالای آن حتی پس از استفاده مکرر در طول زمان است. بر اساس استانداردهای صنعتی مانند IEC 61000-4-2، دیودهای مدرن TVS قادر به تحمل همه چیز از جرقه‌های الکترواستاتیکی که در اثر لمس تجهیزات توسط افراد ایجاد می‌شوند (تا حدود مثبت و منفی ۸ کیلوولت) تا نوسانات عظیم برق ناشی از رعد و برق نزدیک هستند. مؤثر بودن این قطعات به مهندسی هوشمندانه اتصال نیمهرسانا و همچنین سرعت واکنش بسیار بالای کمتر از ۰٫۵ نانوثانیه برمی‌گردد.

عملکرد فوری در زمان رویدادهای ESD و نوسانات

هنگامی که فعال می‌شود، دیود TVS وارد حالتی می‌شود که به آن حالت کلامپینگ (clamping) گفته می‌شود. در اصل، این دیود ولتاژ موجود در مدارهای محافظت‌شده را به یک سطح ایمن محدود می‌کند که ما آن را ولتاژ کلامپینگ یا به اختصار VCL می‌نامیم. این اتفاق بسیار سریع پس از رسیدن به نقطه شکست رخ می‌دهد. دیود سپس انرژی اضافی ناشی از ضربه الکتریکی را به‌طور ایمن به زمین هدایت می‌کند و از افزایش ولتاژ در قسمت پایین‌دست جلوگیری می‌کند تا از حد مقاومت مدارهای مجتمع متصل فراتر نرود. بیشتر اجزای منطقی مدرن حد بالایی در حدود 20 ولت یا کمتر دارند. پس از مدیریت ضربه، دیود TVS به سرعت بازیابی شده و به حالت مقاومت بالای عادی خود بازمی‌گردد. این امر از شرایط خطرناکی مانند قفل‌شدن مدار (latch-up) یا مشکلات اضافه گرمایش جلوگیری می‌کند. مطالعات نشان می‌دهند که هنگامی که محافظت با TVS به‌درستی اعمال شود، مشکلات ناشی از تخلیه الکترواستاتیکی در دستگاه‌های مصرفی بیش از 50 درصد کاهش می‌یابد. این موضوع باعث می‌شود محافظت با TVS نه تنها مهم، بلکه برای عملکرد قابل اعتماد سیستم‌های الکترونیکی ضروری باشد.

پارامترهای مهم دیود TVS: ولتاژ شکست، ولتاژ کلامپینگ و ولتاژ استندآف

درک سه مشخصه ولتاژ – V _برم (ولتاژ شکست)، V _Cl (ولتاژ کلامپینگ) و V _WM (ولتاژ کاری/استندآف) – برای حفاظت قوی در برابر ترانزیانت‌ها ضروری است.

تفسیر V _برم (شکست)، V _Cl (کلامپینگ) و V _WM (استندآف) در دیتاشیت‌ها

ولتاژ کاری حداکثر (VWM) اساساً نشان‌دهنده بیشترین ولتاژ معکوسی است که یک دیود می‌تواند قبل از مشاهده جریان نشتی قابل توجه، تحمل کند. این مقدار را می‌توان مرز ایمنی در نظر گرفت که نباید از آن عبور کرد. سپس ولتاژ شکست (VBR) وجود دارد که معمولاً حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد بالاتر از VWM قرار دارد. این نقطه، زمانی است که دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی در حالت آوالانچ می‌کند. از دید عملی، ولتاژ نگهداری (VCL) اهمیت بیشتری دارد، زیرا این مقدار دقیقاً نشان می‌دهد که در هنگام نوسانات ولتاژ، چه سطح پیک ولتاژی به مدارهای تحت محافظت (مانند ۱ آمپر یا حتی ۱۰ آمپر) منتقل می‌شود. آزمون‌های واقعی ثابت کرده‌اند که این عدد واقعاً مهم است. اکثر مهندسان می‌دانند که باید VCL را به‌خوبی پایین‌تر از مشخصات حداکثر ولتاژ مدارهای مجتمع بعدی نگه دارند. چرا؟ زیرا وقتی طراحان از این قاعده صرف‌نظر می‌کنند، اتفاقات بدی رخ می‌دهد. بر اساس داده‌های منتشر شده در فصلنامه قابلیت اطمینان الکترونیک در سال گذشته، حدود دو سوم تمام خرابی‌های رخ داده در محل، در رابط‌های ورودی/خروجی به همین دلیل دقیق اتفاق می‌افتد.

چرا ولتاژ کلمپینگ پایین و زمان پاسخ سریع (<1 نانوثانیه) در حفاظت مدار اهمیت دارد

دقت در ولتاژ کلامپینگ پایین (VCL) بسیار مهم است. یک ریزپردازنده طراحی‌شده برای 8 ولت را در نظر بگیرید - این قطعه به هیچ‌وجه با وجود کلامپینگ 10 ولتی به‌درستی کار نخواهد کرد، صرف‌نظر از اینکه مشخصات VBR و VWM در کاغذ چقدر خوب به نظر برسند. سرعت نیز عامل دیگری مهم در اینجا است. ضربان‌های ESD در کمتر از یک نانوثانیه به جریان اوج خود می‌رسند، بدین معنا که قطعاتی که بیش از 5 نانوثانیه زمان پاسخ‌دهی دارند (مانند برخی واریستورها)، ولتاژهای نوسانی مضری را قبل از فعال شدن خود از خود عبور می‌دهند. بر اساس آزمایش‌های انجمن ESD در سال گذشته، دیودهای TVS که سریع‌تر از 500 پیکو ثانیه پاسخ می‌دهند و ویژگی‌های VCL بهتری دارند، شکست‌های مدار را در مقایسه با دستگاه‌های سرکوب استاندارد تقریباً به میزان سه‌چهارم کاهش می‌دهند. این سطح از بهبود، تفاوت چشمگیری در محافظت از الکترونیک‌های حساس در طول افزایش‌های کوتاه اما شدید ولتاژ ایجاد می‌کند.

دیودهای TVS دوطرفه در مقابل یکطرفه: رهنمودهای انتخاب برای رابط‌های متداول

دیودهای TVS در دو نوع اصلی تک‌جهته و دوطرفه موجود هستند، که هر کدام برای محیط‌های سیگنال خاصی طراحی شده‌اند. دیودهای تک‌جهته با محدود کردن نوسانات ولتاژ تنها در یک جهت عمل می‌کنند و از این رو برای مدارهای DC بسیار مناسب هستند. به عنوان مثال، در پورت‌های USB یا تجهیزات الکترونیکی خودرو که افزایش‌های ناگهانی ولتاژ تمایل دارند به طور مکرر بالاتر از یک سطح مشخص قرار گیرند. از سوی دیگر، دیودهای TVS دوطرفه به خوبی نوسانات ولتاژ مثبت و منفی را مدیریت می‌کنند. این دیودها زمانی که با سیگنال‌های AC یا هر سیستمی که جریان بتواند در دو جهت برقرار شود، بسیار مهم هستند. ما این دیودها را به طور مداوم در خطوط تلفن، اتصالات تجهیزات صوتی و شبکه‌های پیچیده CAN bus در خودروهای مدرن مشاهده می‌کنیم.

هنگام انتخاب بین انواع مختلف دیود، حساسیت قطبی به عنوان یک عامل مهم برجسته می‌شود. دیودهای یک‌طرفه نیاز دارند که با جهت‌گیری خاصی به درستی قرار گیرند، در حالی که دیودهای دوطرفه به طراحان آزادی بیشتری در چیدمان مدارها می‌دهند. به عنوان مثال، خطوط داده USB 2.0 و 3.0 بهتر است با آرایه‌های دوطرفه استفاده شوند، زیرا با نویزهایی که همزمان از هر دو جهت می‌آیند سروکار دارند. ریل‌های تغذیه در مقابل، معمولاً از دیودهای یک‌طرفه پیروی می‌کنند، زیرا محافظت مناسبی را بدون افزایش هزینه فراهم می‌کنند. هر دو گزینه با سرعت مشابهی در حد پیکوثانیه پاسخ می‌دهند، اگرچه تفاوتی در نحوه ساخت داخلی آنها وجود دارد. مدل‌های استاندارد یک‌طرفه تنها دارای یک اتصال P-N هستند، در حالی که دیودهای دوطرفه دو اتصال را در حالت مخالف سری (به اصطلاح سری مخالف) ترکیب می‌کنند.

بهینه‌سازی پیاده‌سازی دیود TVS: بهترین روش‌ها برای چیدمان برد مدار چاپی و حفاظت از رابط USB

قرارگیری استراتژیک در نزدیکی متصل‌کننده‌های ورودی/خروجی و کاهش القای ناخواسته

محل قرارگیری دیودهای TVS واقعاً مهم است. این دیودها باید بسیار نزدیک به اتصالات ورودی/خروجی (I/O) قرار بگیرند، ترجیحاً نه بیشتر از ۵ میلی‌متر فاصله داشته باشند، تا بتوانند نوسانات مزاحم را قبل از رسیدن به برد مداری به دام بیندازند. هنگامی که ردیف‌ها خیلی بلند می‌شوند، مشکلات ناشی از القای پارازیتی ایجاد می‌کنند که در واقع ولتاژ کلمپینگ را در رویدادهای سریع نانوثانیه‌ای افزایش می‌دهد. صحبت از افزایش حدود ۱٫۵ تا ۲ ولت به ازای هر میلی‌متر اضافی است. برای بهترین نتیجه، از ردیف‌های عریض و مستقیم با ضخامت حداقل ۲۰ میل استفاده کنید. پایه زمین را مستقیماً به یک صفحه زمین با کیفیت خوب و القای کم متصل کنید، نه اینکه از اتصالات زنجیری یا اشتراک آن با سایر قطعات دیجیتال پرسر و صدا استفاده شود. همچنین به یاد داشته باشید که از انحناهای قائمه و سوراخ‌های غیرضروری (vias) در طول مسیر حفاظتی پرهیز کنید. این جزئیات کوچک تمام تفاوت را در حفظ یکپارچگی سیگنال و دستیابی به عملکرد کلمپینگ سریع و قابل اعتماد ما ایجاد می‌کنند.

طراحی حفاظت قوی USB 2.0/3.0 با دیودهای TVS

هنگام کار با رابط‌های USB نیاز به مراقبت ویژه است. هنگام سر و کار داشتن با سرعت چشمگیر USB 3.0 که به 5 گیگابیت بر ثانیه می‌رسد، مهندسان باید آرایه‌های TVS با ظرفیت خازنی بسیار پایین، کمتر از 0.5 پیکوفاراد در هر خط انتخاب کنند تا سیگنال‌ها تمیز باقی بمانند و مشکلات آزاردهندهٔ دیاگرام چشمی ایجاد نشود. انتخاب قطعات مناسب نیز مهم است؛ به دنبال دیودهای دوطرفه باشید که بتوانند حداقل 5 ولت را تحمل کنند و در عین حال ولتاژ کلمپینگ زیر 9 ولت نگه دارند. این امر از هر دو طرف اتصال در برابر آسیب محافظت می‌کند. استراتژی زمین‌کردن نیز عامل کلیدی دیگری است. در اینجا زمین‌کردن ستاره‌ای (Star grounding) بهترین عملکرد را دارد، به‌گونه‌ای که تمام زمین‌های TVS مستقیماً به صفحه زمین شاسی اختصاصی یا صفحه زمین آنالوگ جداگانه متصل می‌شوند. این پیکربندی به جلوگیری از مشکلات نوسان زمین در حین تخلیه الکترواستاتیک ناگهانی کمک می‌کند. با توجه به رایج شدن پورت‌های USB-C امروزه، منطقی است که از ترکیب محافظت خط تفاضلی با مهارکننده‌های اختصاصی خط CC استفاده شود. این ترکیب هم با نوسانات انتقال داده و هم با نوسانات تأمین توان مقابله می‌کند. مهم‌تر از همه، آزمون‌های انجام‌شده مطابق استاندارد IEC 61000-4-2 سطح 4 (به معنای تحمل یک تخلیه تماسی 8 کیلوولتی) نشان می‌دهد که این روش باعث می‌شود USB 3.0 با سرعت کامل کار کند و در عین حال در برابر تهدیدات الکترواستاتیک مقاوم باشد.

سوالات متداول

عملکرد اصلی دیودهای TVS چیست؟

دیودهای TVS با استفاده از شکست کنترل‌شده آواناله در اتصالات P-N خود، نوسانات ولتاژ را جذب و از قطعات حساس منحرف می‌کنند و به این ترتیب مدارهای الکترونیکی را محافظت می‌کنند.

زمان پاسخگویی دیودهای TVS چقدر است؟

دیودهای TVS در کمتر از 0.5 نانوثانیه واکنش نشان می‌دهند و در رویدادهای گذرا با ولتاژ بالا به‌سرعت محافظت فوری فراهم می‌کنند.

تفاوت بین دیودهای TVS یک‌طرفه و دوطرفه چیست؟

دیودهای TVS یک‌طرفه برای مدارهای DC مناسب هستند و نوسانات ولتاژ را در یک جهت محدود می‌کنند، در حالی که نوع دوطرفه نوسانات ولتاژ را در محیط‌های سیگنال AC از هر دو جهت کنترل می‌کنند.

چرا قرارگیری دیودهای TVS در طراحی برد مدار چاپی (PCB) مهم است؟

دیودهای TVS باید نزدیک به متصل‌کننده‌های ورودی/خروجی (I/O) قرار بگیرند تا اثر القایی مزاحمت کاهش یابد و نوسانات گذرا به سرعت جذب شوند و محافظت مؤثر از مدار تضمین شود.