روش کار دیودهای TVS: قفل‌کردن فوق‌سریع از طریق شکست وال Avalanche

فیزیک شکست وال Avalanche که پاسخ‌دهی نانوثانیه‌ای به نوسانات گذرا را ممکن می‌سازد

دیودهای TVS با استفاده از شکست کنترل‌شدهٔ آوانش در سیلیکون معکوس‌پolar شده، مدارهای الکترونیکی را در کسری از ثانیه در برابر آسیب محافظت می‌کنند. زمانی که افزایش ناگهانی ولتاژ فراتر از حد تحمل دیود (معروف به VBR) رخ دهد، پدیده‌ای جالب در سطح اتمی رخ می‌دهد: یونیزاسیون برخوردی، واکنش زنجیره‌ای‌ای را آغاز می‌کند که در آن الکترون‌ها و حفره‌ها به‌سرعت تکثیر می‌شوند و مسیری هادی ایجاد می‌کنند که انرژی اضافی را در عرض یک لحظه به‌صورت اتصال کوتاه خارج می‌سازد. منظور از زمان پاسخ این اجزا، زمانی کمتر از یک نانوثانیه است؛ به همین دلیل این قطعات در مقابله با تخلیه‌های الکترواستاتیک مزاحم که با سرعتی بیش از حد برای سایر راه‌حل‌ها رخ می‌دهند، عملکرد بسیار مؤثری دارند. دقت این دیودها عمدتاً به نحوهٔ آلایش مواد نیمه‌هادی توسط سازنده در طول فرآیند تولید بستگی دارد. این تنظیم دقیق امکان دستیابی مهندسان به مقادیر VBR در محدوده‌های بسیار باریکی را فراهم می‌کند که معمولاً در حدود ±۵٪ تا ±۱۰٪ است. چه چیزی دیودهای TVS را در مقایسه با جایگزین‌هایی مانند MOVها یا لوله‌های تخلیه گازی متمایز می‌کند؟ این دیودها به افزایش دما یا قطعات متحرک وابسته نیستند؛ بلکه از پدیده‌های کوانتومی روی‌داده در مواد حالت جامد بهره می‌برند و به این ترتیب، حتی در شرایط تغییرات دما یا پس از سال‌ها کارکرد، عملکردی بسیار پایدار و قابل اطمینان ارائه می‌دهند.

رفتار بستن در زمان واقعی در طول رویدادهای تخلیه الکترواستاتیک و نوسانات ولتاژ

هنگام فعال‌شدن، دیودهای TVS نوسانات ناگهانی ولتاژ را به ولتاژ کلamping (VC) محدود می‌کنند که معمولاً حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد بالاتر از ولتاژ شکست (VBR) است. به عنوان مثال، رویدادهای ESD مطابق استاندارد IEC 61000-4-2 را در نظر بگیرید: این ولتاژهای سریع‌الصعود با زمان صعود ۵ نانوثانیه هستند. دیود تقریباً بلافاصله پس از وقوع این پدیده شروع به عمل کلamping می‌کند—در واقع در اولین نانوثانیه—و بنابراین از رسیدن ولتاژهای اوج خطرناک به مدارهای مجتمع حساسِ قرار گرفته در ادامهٔ مسیر جلوگیری می‌نماید. برای نوسانات طولانی‌تر ولتاژ (مانند امواج ۸/۲۰ میکروثانیه‌ای که در استاندارد IEC 61000-4-5 مشخص شده‌اند)، این دیودها جریان‌های عظیمی را — که به هزاران آمپر (IPP) اندازه‌گیری می‌شوند — را به‌صورت ایمن به زمین هدایت می‌کنند، در حالی که ولتاژ کلamping (VC) را در سطحی نگه می‌دارند که به اجزای متصل‌شده آسیبی وارد نکند. دو نوع اصلی نیز وجود دارد: مدل‌های دوطرفه برای اتصالات AC که در آن‌ها قطبیت اهمیتی ندارد، عملکرد بسیار مناسبی دارند؛ در مقابل، نسخه‌های یک‌طرفه در سیستم‌های DC عملکرد بهتری ارائه می‌دهند، زیرا ولتاژ مستقیم (forward voltage) کمتری در حالت کلamping دارند. اما آنچه دیودهای TVS را واقعاً مفید می‌سازد، ویژگی خودبازنشستنی (self-resetting) آن‌هاست. پس از عبور هرگونه نوسان ولتاژ، این دیودها به‌طور خودکار و بدون نیاز به تنظیم دستی یا مقابله با مشکلات قفل‌شدن (latch-up) که ممکن است در دیگر ابزارهای حفاظتی رخ دهد، به حالت مقاومت بالای عادی خود بازمی‌گردند.

پارامترهای کلیدی دیود TVS که هر مهندسی باید درک کند

VRWM، VBR، VC و IPP — تبدیل مشخصات برگه‌های فنی به حاشیه‌های مقاومتی مؤثر

چهار پارامتر بر انتخاب مؤثر دیود TVS و قابلیت اطمینان سطح سیستم حاکم هستند:

• ولت _RWM (ولتاژ معکوس نگهدارنده) باید از بیشترین ولتاژ کاری مدار فراتر رود — ترجیحاً به میزان ۱۰ تا ۱۵ درصد — تا از نشت جریان یا فعال‌شدن نادرست در شرایط عادی عملیات جلوگیری شود.
• ولت _برم (ولتاژ شکست) آستانه آغاز هدایت اَوالانش را تعریف می‌کند؛ برای حاشیه‌ای بهینه، این مقدار باید ۱٫۲ تا ۱٫۵ برابر VRWM باشد. _RWM .
• ولت _C (ولتاژ قفل‌کننده) بیشترین ولتاژی است که اجزای متصل‌شده در پایین‌دست در طول جریان پالسی مشخصی (IP) مشاهده می‌کنند. _Pp این ولتاژ باید به‌طور ایمن زیر حداقل آستانه آسیب‌پذیری ICهای محافظت‌شده باقی بماند.
• من _Pp (جریان پالسی اوج) ظرفیت مقاومت در برابر نوسانات را تحت امواج استاندارد (مثلاً ۸/۲۰ میکروثانیه) اندازه‌گیری می‌کند؛ مقادیر بالاتر نشان‌دهنده توانایی جذب انرژی بیشتر است.

مهندسان باید ۲۰٪ از جریان I کاهش دهند _Pp برای هر افزایش ۵۰ درجه سانتی‌گرادی بالاتر از دمای محیط ۲۵ درجه سانتی‌گراد و تأیید V _برم تحمل تغییرات دما برای اطمینان از حاشیه‌های محافظتی ثابت.

ملاحظات ظرفیت خازنی برای رابط‌های پرسرعت (USB، HDMI، اترنت)

ظرفیت پیوند (C _جی ) به‌طور مستقیم بر یکپارچگی سیگنال در خطوط داده پرسرعت تأثیر می‌گذارد. حتی مقادیر کوچک ظرفیت اضافی، محتوای فرکانس بالا را تضعیف کرده و نرخ لبه‌ها را مشوّش می‌سازند — که ممکن است منجر به خطاهای بیتی یا شکست اتصال شود. مقادیر هدف بسیار سخت‌گیرانه‌اند:

• USB 3.2 Gen 2 (۱۰ گیگابیت بر ثانیه): ≤۱٫۰ پیکوفاراد
• HDMI 2.1 (۴۸ گیگابیت بر ثانیه): ≤۰٫۳ پیکوفاراد
• اترنتم ۱۰ گیگابیتی: ≤۰٫۸ پیکوفاراد

دیودهای TVS دوطرفه به‌طور طبیعی ظرفیت خازنی بالاتری نسبت به نمونه‌های یک‌طرفهٔ خود دارند، زیرا این طراحی دوپیوندی را در بر می‌گیرند. هنگام تلاش برای کاهش اثرات مزاحم پارازیتی، منطقی است که اجزای TVS با ظرفیت خازنی پایین را حداکثر در فاصله‌ای حدود نیم اینچ از کانکتورها یا پدهای مدار مجتمع قرار داد. همچنین مهم است که مسیرهای اتصال (تریس‌ها) به‌صورت عریض و مستقیم اجرا شوند؛ در بیشتر کاربردها عرضی حداقل ۲۰ میل برای این منظور مناسب است. اتصال صحیح پد زمین نیز اهمیت دارد. این پد را مستقیماً به یک صفحهٔ مرجع محکم و سالم با استفاده از چندین ویا (به‌جای تنها یک ویا) متصل کنید. این کار به کاهش امپدانس القایی کمک می‌کند که در صورت عدم کنترل، می‌تواند مشکلات نوسان ولتاژ (overshoot) را بدتر کند.

انطباق و عملکرد دیودهای TVS در سناریوهای تهدید استانداردشده

رعایت الزامات IEC 61000-4-2 (پدیدهٔ تخلیه الکترواستاتیک یا ESD)، -4-4 (تداخل الکتریکی سریع یا EFT) و -4-5 (جریان ناشی از صاعقه یا surge)

دیودهای TVS برای مقابله با آن نیازهای سختگیرانه مقاومت طراحی شده‌اند و معمولاً از حد مورد نیاز فراتر می‌روند. در مورد استانداردهای IEC 61000-4-2، این اجزا می‌توانند پالس‌های ESD تخلیه تماسی شدید ۳۰ کیلوولت را بسیار سریع تحمل کنند و آنها را پیش از اینکه به ریزکنترلرهای حساس یا آی‌سی‌های رابط آسیب برسانند — چه بلافاصله و چه به‌مرور زمان — متوقف سازند. این دیودها همچنین عملکرد عالی‌ای در برابر انفجارهای مکرر EFT (بر اساس استاندارد IEC 61000-4-4 در فرکانس‌های حدود ۵ کیلوهرتز تا ۱۰۰ کیلوهرتز) دارند. زمان بازیابی سریع ترکیب‌شده با مقاومت دینامیکی پایین، این امکان را فراهم می‌کند که این دیودها پیک‌های گذرا با جریان چندآمپری را از خطوط داده دور کنند بدون اینکه ارتباطات را مختل سازند. در آزمون‌های نوسان با انرژی بالا بر اساس مشخصات IEC 61000-4-5، دیودهای TVS با گواهینامه مناسب می‌توانند ضربه‌هایی تا ۶ کیلوولت/۳ کیلوآمپر بین اتصالات خط و زمین را تحمل کنند، درحالی‌که عملکردشان پایدار باقی می‌ماند و هیچ خرابی عمده‌ای رخ نمی‌دهد. آزمون‌های مستقل نشان می‌دهند که این اجزا در دماهای بسیار شدید (از ۴۰- درجه سانتی‌گراد تا ۱۲۵+ درجه سانتی‌گراد) به‌خوبی کار می‌کنند و استانداردهای مقاومت کلاس ۴ را برآورده می‌سازند. مهندسان طراح از این ویژگی این قطعات که حفاظت را در یک جزء قابل اعتماد ادغام می‌کند — به‌جای نیاز به چندین لایه فیلتر و سایر دستگاه‌های محدودکننده — استقبال می‌کنند. این ساده‌سازی تعداد قطعات مورد نیاز برای فهرست مواد (BOM) را کاهش می‌دهد، گواهی‌دهی را آسان‌تر می‌سازد و به‌طور کلی منجر به افزایش قابلیت اطمینان محصولات در زمان استفاده عملیاتی در محیط واقعی می‌شود.

روش‌های عملی انتخاب دیود TVS و بهترین شیوه‌های طراحی مدار چاپی (PCB)

دیودهای TVS دوطرفه در مقابل یک‌طرفه: تطبیق قطبیت، اتصال به زمین و پوشش نقص‌ها

هنگام تصمیم‌گیری بین دیودهای TVS دوطرفه و یک‌طرفه، مهندسان باید نحوه عبور سیگنال‌ها از سیستم و نوع خطاها یا نقص‌های احتمالی را در نظر بگیرند. گزینه‌های دوطرفه شبیه دو دیود آوالانش به‌صورت پشت‌سرهم عمل می‌کنند و بنابراین برای اتصالات جریان متناوب (AC) یا شناور (floating) — مانند آنچه در استانداردهای RS-485، HDMI و اترنت مشاهده می‌شود — که در آن‌ها اوج‌های ولتاژ می‌توانند از هر دو جهت رخ دهند، ضروری هستند. نسخه‌های یک‌طرفه در واقع در مدارهای جریان مستقیم (DC) عملکرد بهتری در محدودسازی ولتاژ از خود نشان می‌دهند، زیرا در مواجهه با ترانزیت‌های مثبت، جریان الکتریکی را کارآمدتر هدایت می‌کنند و همچنین جریان را در صورت وقوع اوج منفی مسدود می‌سازند. با این حال، انتخاب نادرست این دیودها اهمیت بسیار زیادی دارد: قرار دادن یک دیود یک‌طرفه روی یک خط ارتباطی دوطرفه، شکاف‌هایی در حفاظت در برابر اوج‌های منفی ایجاد می‌کند که ممکن است اجزای حساس قرار گرفته در ادامه مسیر را آسیب دهند. اتصال به زمین (Ground) نیز در اینجا اهمیت یکسانی دارد. بهترین روش، استفاده از مسیرهای مسی کوتاه و پهن از کاتد دیود TVS (یا نقطه مشترک در مدل‌های دوطرفه) به‌طور مستقیم به یک صفحه زمین (ground plane) محکم و با استفاده از چندین Via حرارتی برای ثبات است. اتصال ضعیف به زمین، مشکلات آزاردهنده «پرش زمین» (ground bounce) را ایجاد می‌کند که به‌تدریج کارایی سیستم حفاظت در برابر نوسانات را کاهش می‌دهد و گاهی طبق آزمون‌های مختلف صنعتی روی رفتار ترانزیتی، این کارایی را تقریباً تا نصف کاهش می‌دهد.

قرارگیری بهینه: کاهش حداقلی القای مسیر و بیشینه‌سازی کارایی حفاظت

روش طراحی صفحه مدار چاپی (PCB) در عمل بر عملکرد دیودهای حفاظتی ولتاژ انتقالی (TVS) تأثیر بیشتری نسبت به صرفاً بررسی مشخصات اجزای الکترونیکی دارد. دیود باید حداکثر در فاصله‌ای حدود نیم سانتی‌متر از کانکتور یا پین آی‌سی محافظت‌شده قرار گیرد. هر سانتی‌متر اضافی در طول مسیر، تقریباً ۱۰ نانوهنری اندوکتانس سری ایجاد می‌کند که می‌تواند عملکرد قفل‌کنندگی (clamping) را به تأخیر انداخته و اجازه دهد اوج‌های ولتاژ خطرناک در رویدادهای تخلیه الکترواستاتیک (ESD) رخ دهند. هنگام طراحی مسیرهای مداری (traces)، از خطوط مستقیم استفاده کنید و عرض آن‌ها را تا حد امکان گسترده نگه دارید (حداقل ۲۰ میل) و از انحنای زاویه‌های قائمه که باعث ایجاد مشکلات امپدانس می‌شوند، اجتناب نمایید. برای رابط‌های پرسرعت، دیود TVS را در نزدیک‌ترین موقعیت ممکن به خود کانکتور قرار دهید. پد زمین (ground pad) را مستقیماً به صفحه مرجع (reference plane) با استفاده از سه یا بیشتر ویا (vias) به‌طور یکنواخت فاصله‌گذاری‌شده متصل کنید. این کار مسیر بازگشتی با اندوکتانس پایینی ایجاد می‌کند که بیش از ۹۰ درصد جریان ناگهانی را از مدارهای حساس دور می‌کند. آزمون‌های عملی که مطابق استاندارد IEC 61000-4-2 انجام شده‌اند، نشان داده‌اند که این روش‌های طراحی مسیر، زمان مواجهه با ترانزیت‌ها را نسبت به روش‌های قدیمی‌تر—مانند اتصال زمین به‌صورت زنجیره‌ای (daisy chained grounds) یا اتصالات انشعابی بلند (long stub connections)—تقریباً به نصف کاهش می‌دهند.