هسته‌ی حفاظت از الکتریسیته ساکن و ضربه ولتاژ: راهکارهای دیود TVS در رابط‌های سیگنال پرسرعت و تغذیه

این مقاله تخصصی به طور عمیق به تحلیل مکانیزم‌های کاربردی و منطق انتخاب دیودهای TVS در محیط‌های سیگنال پرسرعت، رابط تغذیه و ضربه صنعتی می‌پردازد و شامل بسته‌بندی‌های متداول و روندهای آینده نیز می‌شود.

الف. ESD و ولتاژ گذرا: تهدیدهای نهفته در سیستم‌های دیجیتال

در الکترونیک دیجیتال با سرعت بالا و سیستم‌های مدیریت توان، تخلیه الکترواستاتیک (ESD) و ولتاژهای گذرا ناشی از صاعقه، سوئیچینگ القایی یا ناهنجاری‌های خطوط برق، تهدیدهای جدی و اغلب نادیده گرفته شده‌ای به شمار می‌روند. به ویژه در رابط‌هایی مانند USB، HDMI، CAN و اترنت، نوسانات ولتاژ در محدوده چند میلی‌ثانیه می‌توانند به طور دائم پورت‌های I/O را از کار بیندازند، کنترل‌کننده اصلی را ریست کنند یا باعث راه‌اندازی مجدد غیرمنتظره سیستم شوند.

دیودهای ساپرسور ولتاژ گذرا (TVS)، که برای کاهش ESD و ولتاژ گذرا طراحی شده‌اند، زمان واکنشی در حد زیر نانو ثانیه (<1ns)، ولتاژ کم در حالت کریستالیزه شدن و جذب انرژی گذرا با راندمان بالا را فراهم می‌کنند و این امکان را فراهم می‌کنند تا رابط‌های مقاوم و استحکام‌پذیر طراحی شوند.

II. اصل کار و مدل رفتاری دیودهای TVS

دیودهای TVS بر اساس اصل شکست و محدود کردن ولتاژ عمل می‌کنند. هنگامی که ولتاژ ورودی از آستانه شکست (V برم ، دیود وارد حالت هدایت با امپدانس پایین می‌شود، جریان گذرنده را به زمین هدایت می‌کند و ولتاژ را در یک سطح ایمن (V قلاب ).

دیود TVS را می‌توان به صورت خازنی در موازات یک مؤلفه شبیه به زنر مدل کرد که پاسخ فوق‌العاده سریعی ارائه می‌دهد و تحمل جریان‌های نوسانی بسیار زیاد (I Pp در ده‌ها آمپر) را دارد.

III. کاربردهای معمولی و ملاحظات طراحی مدار

برای خطوط داده با سرعت بالا، دیودهای TVS باید دارای ظرفیت خازنی اتصال بسیار پایین (C جی <1pF) باشند تا از تخریب سیگنال جلوگیری شود. انتخاب مدل‌های TVS با ظرفیت خازنی پایین و قرار دادن آن‌ها در مجاورت اتصالات، ضروری است.

در مراحل ورودی DC — برای مثال، در PLCهای صنعتی، ECUهای خودرو یا ESCهای پهپاد — دیودهای TVS به عنوان جاذب ضربه موازی با ریل ورودی عمل می‌کنند و قادرند ضربه‌های مطابق استانداردهای ISO 7637 یا IEC 61000 را محدود کنند.

در هنگام خاموش کردن بارهای القایی مانند موتورها، رله‌ها یا سیم‌پیچ‌ها، دیودهای TVS ولتاژ معکوس بالایی که تولید می‌شود را جذب می‌کنند و از ترانزیستورهای سوئیچینگ (MOSFET/IGBT) در برابر شکست آوانژه‌ای محافظت می‌کنند.

IV. پارامترهای کلیدی انتخاب و گزینه‌های بسته‌بندی

پارامتر	مقدار/محدوده پیشنهادی
ولت RWM (ولتاژ کاری حداکثری)	باید 10–20% بالاتر از ولتاژ کاری عادی باشد
ولت برم (ولتاژ شکست)	باید پایین‌تر از ولتاژ تحمل دستگاه حفاظتی هدف باشد
ولت قلاب (ولتاژ قلاب کردن)	هرچه پایین‌تر باشد بهتر است تا از ضربه اضافه ولتاژ جلوگیری شود
من Pp (جریان ضربه‌ای حداکثری)	طبق استاندارد تست (مانند 8/20μs)
C جی (ظرفیت اتصال)	پیشنهاد سیگنال با سرعت بالا <1pF
نوع بسته‌بندی	SOD-323، SOT-23، SMA، SMB و غیره