حفاظت در برابر اضافه ولتاژ در تجهیزات مخابراتی: نقش دیود TVS

الف. تهدیدهای ناشی از اضافه ولتاژ در تجهیزات مخابراتی

سیستم‌های مدرن ارتباطی، از جمله روترها، گیرنده‌های نوری، و سوئیچ‌های شبکه، اغلب در محیط‌های پیچیده‌ای نصب می‌شوند که آن‌ها را در معرض پدیده‌های مختلف ولتاژی قرار می‌دهد. این پدیده‌ها شامل تخلیه الکترواستاتیکی (ESD)، پالس‌های الکترومغناطیسی ناشی از صاعقه (LEMP)، و ولتاژهای القایی از طریق خطوط برق هستند. چنین ضربه‌های ولتاژی نه تنها باعث قطع انتقال سیگنال می‌شوند، بلکه ممکن است آسیب‌های غیرقابل‌برگشتی به مدارهای مجتمع حساس وارد کنند و منجر به توقف سیستم و هزینه‌های گزاف برای تعویض تجهیزات شوند.

II. اصل کار و مزایای دیودهای TVS

دیودهای سرکوب‌کننده ولتاژ گذرا (TVS) اجزای نیمه‌هادی هستند که به‌طور خاص برای سرکوب ولتاژهای گذرا طراحی شده‌اند. مکانیسم عملیاتی آن‌ها شامل هدایت سریع—معمولاً در محدوده نانوثانیه—است، به‌طوری‌که فوراً پس از اینکه ولتاژ خط از آستانه شکست دستگاه عبور کند، انرژی اضافی را از مدار حفاظت‌شده منحرف کرده و به‌صورت ایمنی آن را پراکنده می‌کنند؛ این امر باعث جلوگیری از اضافه‌بار الکتریکی می‌شود.

در مقایسه با روش‌های سنتی حفاظت مانند واریستورها یا خازن‌های سرامیکی، دیودهای TVS زمان پاسخ‌دهی سریع‌تر، جریان نشتی پایین‌تر و بسته‌بندی کوچک‌تری ارائه می‌دهند. این ویژگی‌ها آن‌ها را به‌ویژه برای حفاظت از خطوط داده، پورت‌های USB، مبدل‌های LAN، اتصال‌دهنده‌های HDMI و دیگر رابط‌های انتقال سریع مناسب می‌کند.

III. مورد استفاده: حفاظت از پورت اترنت RJ45

در شبکه‌های اترنت گیگابیتی و 10 گیگابیتی، پین‌های سیگنال تفاضلی در لایه PHY بسیار مستعد ولتاژهای ناگهانی ناشی از صاعقه یا نوسانات نزدیک برق هستند. دیودهای TVS اغلب بین پورت RJ45 و تراشه PHY قرار گرفته می‌شوند تا خط دفاع اول را تشکیل دهند و به‌طور مؤثر نوسانات ولتاژ را قبل از رسیدن به لایه منطقی حساس محدود کنند.

استفاده از دستگاه‌های TVS با ظرفیت الکتریکی پایین—که اغلب کمتر از 1 پیکوفاراد است—تضمین می‌کند که یکپارچگی سیگنال حتی در نرخ داده‌هایی که از چند صد مگابیت یا چند گیگابیت در ثانیه فراتر می‌رود، حفظ شود.

IV. مورد استفاده: حفاظت از ماژول‌های نوری و پورت‌های USB در برابر دشارژ الکترواستاتیک (ESD)

ماژول‌های نوری مانند SFP+ یا QSFP دارای دیودهای لیزری با حساسیت بالا و مدارهای راه‌انداز هستند. در حین نگهداری یا نصب، این پورت‌ها در معرض دشارژ الکترواستاتیک ناشی از تماس انسان قرار می‌گیرند. دیودهای TVS که به صورت موازی نصب می‌شوند، بار الکتریکی را به سرعت پراکنده کرده و از پین‌های ماژول در برابر شکست دی الکتریکی یا آسیب حرارتی محافظت می‌کنند.

به همین ترتیب، رابط‌های USB که در الکترونیک مصرفی و سیستم‌های تعبیه‌شده به طور گسترده استفاده می‌شوند، نیازمند حفاظت چند خطی هستند. هر خط برق و داده باید به طور جداگانه با استفاده از قطعات TVS با ظرفیت خازنی کم و مشخصه‌های سوئیچینگ سریع محافظت شود تا هم استانداردهای USB 2.0/3.0 و هم استحکام در برابر ESD رعایت شود.

V. معیارهای انتخاب و توسعه‌های آینده

مهندسین هنگام انتخاب یک دیود TVS باید چندین پارامتر کلیدی را ارزیابی کنند:

ولتاژ کلاه‌گذاری (Clamping Voltage): باید پایین‌تر از حداکثر تحمل تراشه و در عین حال بالاتر از ولتاژ کاری معمولی باشد؛

حداکثر توان پالسی: تعیین‌کننده ظرفیت جذب انرژی؛

ظرفیت اتصالی: یک عامل حیاتی در کاربردهای داده‌ای با سرعت بالا؛

نوع بسته‌بندی: انتخاب از بین SOD-123، SOT-23، DFN0603 و غیره، بسته به چگالی PCB و طراحی حرارتی.

با افزایش رشد استفاده از فناوری 5G، اترنت خودرویی و سیستم‌های محاسبات لبه‌ای (edge computing)، فناوری دیودهای کلاه‌گذاری‌کننده ولتاژ (TVS) رو به سمت آرایه‌های چندکاناله ادغام‌شده، طراحی‌های با ظرفیت بسیار پایین و معماری‌های یکپارچه برای حفاظت در برابر تخلیه الکتریسیته ساکن (ESD)/رعد و برق در حال توسعه است.

دیودهای TVS | دستگاه‌های حفاظتی مخابراتی | حفاظت اضافه ولتاژ در اینترفیس