دیودهای TVS: اجزای ضروری برای حفاظت از الکترونیک شما

چگونگی کارکرد دیودهای TVS: از حالت عادی به حالت حفاظت در برابر نوسانات ولتاژ

مکانیسم پاسخ‌گویی به گذرهای ولتاژی و رویدادهای ESD

دیودهای TVS مانند کلیدهای ولتاژ با واکنش سریع عمل می‌کنند که در بیلیونیم ثانیه از مقاومت بالا به مقاومت پایین سویچ می‌کنند، هنگامی که با افزایش ناگهانی ولتاژ مواجه می‌شوند. وقتی الکتریسیته ساکن تجمع یافته و از طریق مدارها تخلیه می‌شود، این قطعات وارد عمل می‌شوند و الکترونیک‌های ظریف را با محدود کردن ولتاژ در سطح ایمن، محافظت می‌کنند. گزارش اخیر صنعتی از سال 2023 نشان داد که دیودهای فعلی TVS حدود 70 درصد تا تقریباً تمامی افزایش‌های خطرناک ولتاژ را نسبت به سیستم‌های بدون حفاظت کاهش می‌دهند. بیشتر مدل‌ها دارای مقادیر ظرفیت دوطرفه بین 0.5 تا 50 پیکوفاراد هستند، که به این معنی است که آن‌ها تداخلی در انتقال سیگنال عادی ایجاد نمی‌کنند اما همچنان در مواقعی که نیاز به واکنش سریع است، آماده پاسخگویی هستند.

عملکرد در شرایط نرمال در مقابل شرایط اضافی ولتاژ

دیودهای TVS معمولاً جریان نشتی کمتر از ۱ میکروآمپری دارند، در حالی که به‌طور طبیعی کار می‌کنند، بنابراین تأثیر چندانی روی بازدهی توان ندارند. اگر ولتاژ از مقداری که ولتاژ معکوس استنداف (یا VRWM) نامیده می‌شود بالاتر رود، این دیودها وارد چیزی به نام شکست آوالانشی می‌شوند، که در واقع به این معنی است که آنها شروع به هدایت الکتریسیته به شکل کنترل‌شده می‌کنند. این اثر کلامپینگ مانع می‌شود تا ولتاژهای ناگهانی از حد خطرناکی بالاتر نروند، که این موضوع برای حفاظت از قطعات ظریف مانند ریزکنترلرهای بسیار مهم است. به عنوان مثال، دیودهای TVS خودرویی را در نظر بگیرید. این قطعات قوی می‌توانند در برابر تخلیه الکترواستاتیک ۳۰ کیلوولتی مقاومت کنند و در کسری از نانوثانیه فعال شوند، به همین دلیل حتی در شرایط سخت هم قابل اعتماد هستند، جایی که قطعات معمولی ممکن است دچار خرابی شوند.

مطالعه موردی: پاسخ سریع در الکترونیک مصرفی در زمان تخلیه الکترواستاتیک

دیودهای TVS در پورت‌های USB-C گوشی‌های هوشمند، شکست‌های مربوط به ESD را به‌طور قابل توجهی کاهش داده‌اند، در واقع حدود 83%، بخاطر زمان واکنش فوق‌العاده کوتاه‌تر از یک نانوثانیه. یکی از تولیدکنندگان بزرگ گوشی‌های همراه اخیرا آزمایش‌هایی انجام داده که چیزی بسیار قابل توجه نشان داد. هنگام مواجهه با تخلیه‌های تماسی 15 کیلوولتی، این دیودها ولتاژ ورودی به IC را تنها تا حدود 6 ولت کاهش دادند. این مقدار بسیار پایین‌تر از حدی است که معمولاً باعث مشکل می‌شود، یعنی حدود 12 ولت. کاری که این موضوع را برای تولیدکنندگان بهتر می‌کند این است که تمام این حفاظت بدون کاهش سرعت انتقال داده اتفاق می‌افتد. پورت‌ها همچنان قابلیت کامل 10 گیگابیت بر ثانیه خود را حفظ می‌کنند، بنابراین کاربران هیچ تفاوتی در هنگام انتقال فایل یا شارژ دستگاه‌ها احساس نمی‌کنند. واقعاً فناوری پیشرفته TVS موفق است کارها را بدون فدا کردن عملکرد یا کیفیت سیگنال به خوبی پیش ببرد.

روند: پیشرفت‌هایی در سرعت قطع ولتاژ (Clamping) و قابلیت اطمینان

دیودهای TVS جدید با مواد کاربید سیلیسیم (SiC) ساخته شده‌اند که این امکان را فراهم می‌کند تا پاسخگویی آن‌ها تنها 500 پیکوثانیه باشد، در حالی که همچنان می‌توانند توان‌های پالسی اوج را در حدود 600 وات تحمل کنند. چیزی که واقعاً قابل توجه است این است که تولیدکنندگان اکنون می‌توانند دوامی بیش از 100 هزار چرخه‌ی ولتاژی را در جریان نامی کامل تعهد کنند، که این میزان دوام تقریباً چهار برابر بهتر از آنچه در سال 2019 در دسترس بوده است. این پیشرفت‌ها در محیط‌های سخت‌گیرانه مانند ایستگاه‌های پایه 5G و سیستم‌های شارژ خودروهای برقی (EV) اهمیت زیادی دارند، جایی که حفاظت مناسب در برابر ولتاژهای گذرا تنها یک امر آرزومندانه نیست، بلکه ضروری است تا سیستم‌ها بتوانند به‌صورت ایمن و بدون خرابی‌های غیرمنتظره به مدت طولانی کار کنند.

پارامترهای کلیدی برای انتخاب دیودهای TVS به‌منظور حصول حفاظت بهینه

ولتاژ شکست، ولتاژ قلابی (Clamping Voltage) و جریان نشتی توضیح داده شده

انتخاب دیود TVS مناسب به درک سه پارامتر اصلی بستگی دارد:

• ولتاژ شکست (V _برم ): ولتاژی که در آن دیود شروع به هدایت جریان چشمگیری می‌کند، معمولاً در 10 تا 15 درصد بالاتر از ولتاژ عملیاتی عادی تنظیم می‌شود.
• ولتاژ قفل کننده (V) _C ): ولتاژ حداکثری که در طول یک گذرا به مدار حفاظت‌شده منتقل می‌شود؛ مقادیر پایین‌تر مولفه‌های حساس را بهتر محافظت می‌کنند (برای مثال، <50 ولت برای USB-C).
• جریان نشتی (I _د ): جریان کوچکی که در شرایط عادی جریان دارد؛ مقادیر زیر 5 میکروآمپر از اتلاف توان و تحریک اشتباه جلوگیری می‌کند، به‌ویژه در حسگرهای باتری‌ای و خودرویی بسیار مهم است.

جریان اوج پالسی و توانایی دسته‌بندی انرژی

جریان اوج پالس (IPP) در اصل به ما می‌گوید که حداکثر جریان کوتاه‌مدتی که یک دیود می‌تواند بدون آسیب دیدن تحمل کند چقدر است. این موضوع در مواردی مانند منابع تغذیه سرور که ممکن است با ضربه‌های قوی صاعقه مواجه شوند و جریان‌های ناگهانی به راحتی از ۲۰۰ آمپر فراتر رود، بسیار مهم است. از نظر مقدار انرژی که این دستگاه‌ها باید جذب کنند، ما این مقدار را با واحد ژول اندازه می‌گیریم. بیشتر سیستم‌های صنعتی به دنبال چیزی هستند که بتواند حداقل ۱۵۰ ژول انرژی را قبل از از کار افتادن تحمل کند. اگر بخواهیم سیستم‌های ما عمر طولانی داشته باشند و در عین حال از سرولتاژها محافظت کنند، حفظ نسبت کلمپ (VC تقسیم بر VBR) در زیر ۱.۵ منطقی است. این امر به کاهش فرسایش و سایش در تمام تجهیزات متصل پس از دیود کمک می‌کند و در نهایت باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها می‌شود، چون قطعات به ندرت دچار خرابی می‌شوند.

مطالعه موردی: انتخاب پارامتر در مدارهای DC/DC

یک مبدل DC/DC با ولتاژ 24 ولت دچار خرابی‌های مکرر به دلیل ترانزیستورهای کلیدزنی رله شد. مهندسان با انتخاب یک دیود TVS با مشخصات زیر این مشکل را حل کردند:

1. ولت _برم > 30 ولت (20٪ بالاتر از حداکثر ولتاژ کاری)
2. من _Pp ≥ 150 آمپر (در برابر پالس‌های تست ISO 7637 اعتبارسنجی شده)
3. ظرفیت خازنی PN <10 پیکوفاراد تا عملکرد سوئیچینگ با فرکانس بالا حفظ شود
   این انتخاب هدفمند، خرابی‌های در محل را 75٪ کاهش داد و انطباق با استاندارد قابلیت اطمینان خودرویی AEC-Q101 را تضمین کرد.

استراتژی: تطبیق مشخصات TVS با نیازهای کاربردی

از این چارچوب برای هماهنگ کردن مشخصات TVS با نیازهای کاربردی استفاده کنید:

نیاز کاربردی	تمرکز بر پارامترهای کلیدی	روش تأیید
پورت‌های داده با سرعت بالا	ظرفیت اتصالی	تست نمودار چشمی
نوسانات ولتاژ خط برق	جذب انرژی	شبیه‌سازی موج‌شکل 8/20 میکروثانیه‌ای
سیستم‌های باتری	جریان نشت	تحلیل فرار حرارتی
اعتبارسنجی طراحی‌ها با استفاده از موج‌های گذرا استاندارد — IEC 61000-4-5 برای محیط‌های صنعتی و ISO 10605 برای خودرو — به‌منظور اطمینان از اینکه ولتاژ کششی به‌طور ایمنی در زیر آستانه‌ی آسیب به اجزا باقی می‌ماند.

دیودهای TVS یک‌طرفه و دوطرفه: تفاوت‌ها و موارد استفاده

اصول کارکرد بر اساس قطبیت و الزامات مدار

دیودهای TVS دارای دو نوع اصلی یک‌طرفه و دوطرفه هستند. دیودهای یک‌طرفه در مدارهای جریان مستقیم که در زندگی روزمره می‌بینیم به بهترین شکل کار می‌کنند، مانند آن پورت‌های USB 5 ولتی که در دستگاه‌هایمان داریم یا سیستم‌های 12 ولتی خودروها، جایی که افزایش‌های ناگهانی ولتاژ تنها در یک جهت اتفاق می‌افتد. این دیودها عملاً در حالت عادی هیچ کاری انجام نمی‌دهند تا زمانی که یک نوسان رخ دهد، سپس در حالت معکوس فعال می‌شوند در حالی که جریان معمولی را به‌راحتی از خود عبور می‌دهند. از سوی دیگر، دیودهای TVS دوطرفه از دو دیود شکست‌آورنده که به‌صورت پشت به پشت به هم متصل شده‌اند تشکیل شده‌اند. این دیودها برای حفاظت از آن مدارهای جریان متناوب و سیگنال‌هایی که دو طرفه هستند بسیار مفیدند، فکر کنید به سیستم‌های باس CAN یا خطوط ارتباطی RS-485. وقتی صحبت از افزایش‌های ولتاژ مثبت و منفی می‌شود، این مدل‌های دوطرفه به‌راحتی تمام این موارد را بهتر مدیریت می‌کنند. بر اساس تحقیقات منتشرشده در سال گذشته در نشریه حفاظت از مدار، استفاده از حفاظت دوطرفه به جای استفاده از اجزای یک‌طرفه جداگانه می‌تواند در سیستم‌های تجهیزات صنعتی سه فاز، حدود 40 درصد از تعداد قطعات مورد نیاز را کاهش دهد.

کاربردها در رابط‌های ارتباطی USB، HDMI و CAN Bus

• یکطرفه : ترجیحی برای درگاه‌های USB 3.2 و HDMI 2.1، که ظرفیت الکتریکی پایین (تا 0.5 پیکوفاراد) حفاظت ESD تا 30 کیلوولت را بدون آسیب به کیفیت سیگنال فراهم می‌کند.
• دو جهتی : ضروری برای باس CAN خودرویی به دلیل تحمل تخلیه بار ±45 ولتی و انطباق با استاندارد IEC 61000-4-5.
• ضروری برای شبکه‌های RS-485، که دیودهای دوطرفه در حفظ یکپارچگی سیگنال در نرخ داده‌هایی بیش از 100 مگابیت بر ثانیه نقش دارند.

مطالعه موردی: دیودهای TVS دوطرفه در سیستم‌های CAN خودرویی

یکی از تولیدکنندگان بزرگ خودرو در اروپا مشاهده کرد که شکایات ضمانت کیفیت به میزان قابل توجهی (حدود دو سوم) کاهش یافت، زمانی که آنها شروع به استفاده از دیودهای TVS دوطرفه را در سیستم‌های CAN bus خود کردند. این دیودها به ولتاژهای ناگهانی مخربی که می‌تواند به دلیل تخلیه بار ژنراتور به میزان 60 ولت مثبت و منفی برسد، بی‌درنگ مقاومت می‌کنند. در عین حال، جریان نشتی را حتی در سطوح دیفرانسیلی استاندارد 2.5 ولتی در حد زیر 1 نانوآمپر حفظ می‌کنند. این موضوع به این معنی است که خودروها می‌توانند در تمام شرایط سخت و گوناگون جاده‌ای امروزی به‌صورت مطمئنی با یکدیگر ارتباط داشته باشند.

روند: افزایش استفاده در ارتباطات پرسرعت و صنعتی

بازار جهانی دیودهای TVS دوطرفه پیش‌بینی می‌شود تا سال 2030 با رشد سالانه 11.8% رشد کند، که این رشد تحت تأثیر عوامل زیر است:

1. ایستگاه‌های پایه 5G که نیازمند حفاظت از داده‌های 20 گیگابیتی با ظرفیت خازنی بسیار پایین (<0.3 پیکوفاراد) هستند
2. حسگرهای IoT صنعتی که نیازمند گواهی AEC-Q101 درجه 1 (-40°C تا +125°C) می‌باشند
3. معکوس‌کننده‌های انرژی تجدیدپذیر که نیازمند حفاظت از ولتاژ ضربه‌ای ±2 کیلوولتی مطابق استاندارد IEC 61643-31 هستند

کاربردهای متداول دیودهای TVS در سیستم‌های الکترونیکی مدرن

حفاظت الکترواستاتیکی در الکترونیک مصرفی و دستگاه‌های همراه

دیودهای TVS در زمان حفاظت از گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و تجهیزات قابل پوشیدن در برابر آسیب ESD به عنوان خط دفاعی اصلی عمل می‌کنند. این قطعات دارای مقادیر خازنی بسیار پایینی زیر 0.5 پیکوفاراد هستند که به این معنی است که سیگنال‌های اینترفیس‌های سریعی که امروزه به آن‌ها اتکا داریم، مانند اتصالات USB Type C یا HDMI را مختل نمی‌کنند. علاوه بر این، آن‌ها می‌توانند رویدادهای تخلیه الکترواستاتیکی با دامنه‌هایی در حدود 30 کیلوولت مثبت و منفی را تحمل کنند. طبق تحقیق منتشر شده توسط ESDA در سال گذشته، تولیدکنندگانی که به دیودهای TVS تغییر مدل دادند، کاهش چشمگیری در مشکلات مربوط به ESD داشتند - حدود 62 درصد کمتر از مشکلات قبلی نسبت به سایر روش‌های حفاظت. نسل جدید این دیودها اکنون ویژگی‌های عملکردی بهتری را ارائه می‌دهند، به خصوص برای استانداردهای اتصال جدیدتر مانند Thunderbolt و DisplayPort. این دیودها طراحی‌های کوچک را امکان‌پذیر می‌کنند در حالی که سطح حفاظت بسیار خوبی را حفظ می‌کنند و این امکان را فراهم می‌کنند که انتقال داده در سرعت‌هایی نزدیک به 40 گیگابیت در ثانیه بدون هیچ گونه کاهش قابل توجه سیگنال انجام شود.

محافظت از آی‌سی‌های حساس و کنترل‌کننده‌های میکرو در برابر نوسانات ولتاژ

دیودهای TVS به عنوان حفاظت برای اجزای مختلفی از جمله سنسورهای آنالوگ، مدارهای مدیریت توان و ریزپردازنده‌ها عمل می‌کنند. این دیودها با هدایت کردن نوسانات ناگهانی ولتاژ که از عناصری مانند رله‌ها، موتورها در حال کار و منابع تغذیه سوئیچینگ ناشی می‌شوند، حفاظت لازم را فراهم می‌کنند. در زمان انتخاب این دیودها، بیشتر مهندسان به دنبال دیودهایی هستند که جریان نشتی آن‌ها در زیر ۱ میکروآمپر باقی بماند و ولتاژ کلمپینگ در حدود ۲۰ درصد پایین‌تر از حداکثر ولتاژ قابل تحمل توسط آی‌سی قرار داشته باشد. به طور خاص برای کاربردهای IoT پزشکی، آرایه‌های TVS ضرورت بسیار زیادی پیدا می‌کنند. این آرایه‌ها در برابر افزایش‌های سریع ولتاژ (در حدود ۱۰۰ ولت بر میکروثانیه) که می‌توانند مدارهای حساس ADC را دچار آسیب کنند، حفاظت لازم را فراهم می‌کنند. چنین حفاظتی بسیار حیاتی است، زیرا این ولتاژهای گذرا اغلب ناشی از تداخل‌های RF یا هنگام کار کردن با بارهای القایی که به طور مکرر روشن و خاموش می‌شوند، ایجاد می‌شوند. بدون حفاظت مناسب، اندازه‌گیری‌ها ممکن است دچار انحراف شوند و کل سیستم‌ها ممکن است به طور غیرمنتظره‌ای دچار شکست گردند.

مطالعه موردی: حفاظت از برق گذرا در الکترونیک خودرو و صنعتی

آزمایش‌های میدانی انجام شده در سال ۲۰۲۲ روی سیستم‌های باس CAN خودرو نشان داد که استفاده از دیودهای TVS دوطرفه باعث کاهش حدود ۸۳ درصدی خطاهای ارتباطی ناشی از برق گذرا در شرایط آزمون ISO 7637-2 شد. وقتی این دیودها تحت آزمایش قرار گرفتند، توانستند جریان‌های سریع ۱۰/۱۰۰۰ میکروثانیه‌ای را که به ۲۰۰ آمپر در سیستم‌های ۲۴ ولت استاندارد می‌رسیدند، بدون اینکه دمای داخلی از حد بحرانی ۱۲۵ درجه سانتی‌گراد بیشتر شود، مدیریت کنند. برای کاربردهای صنعتی، اتصال‌دهنده‌هایی که با دیودهای TVS یکپارچه شده ساخته شده‌اند، در برابر ضربه‌های ناشی از صاعقه با ولتاژ بالای ۶ کیلوولت که می‌توانند به ماژول‌های ورودی/خروجی حساس PLC آسیب برسانند، محافظت فراهم می‌کنند. این اتصال‌دهنده‌ها از همان ابتدا با الزامات سختگیرانه استاندارد IEC 61000-4-5 سازگار هستند، بنابراین نیازی به فیلترهای اضافی یا قطعات جانبی برای دستیابی به انطباق نیست.

راهبردهای طراحی برای یکپارچه‌سازی مؤثر دیودهای TVS

قرارگیری و طراحی بهینه برای حداکثر انحراف ضربه

برای حفاظت مؤثر، دیودهای TVS را در فاصله ای نزدیک به نقاط ورودی گذرا - مانند اتصال‌دهنده‌ها، ورودی‌های برق یا پورت‌های I/O - قرار دهید تا اندوکتانس القایی را به حداقل برسانید. به عنوان مثال، قرارگیری در محدوده 1 سانتی‌متری یک پورت USB، خطر گسترش ضربه را نسبت به قرارگیری در مسیر پایین‌دستی 60 درصد کاهش می‌دهد. روش‌های بهتر شامل موارد زیر است:

• استفاده از ردیف‌های کوتاه و عریض مسی در برد مدار چاپی (PCB) برای کاهش امپدانس
• اجتناب از سوراخ‌های (vias) بین دیود و قطعه تحت حفاظت
• در نظر گرفتن یک مسیر بازگشتی زمین با امپدانس پایین

تنظیم ولتاژ آستانه قفل کننده (clamping voltage) در محدوده 10 تا 20 درصد بالاتر از ولتاژ کاری حداکثر سیستم، به منظور جلوگیری از فعال‌سازی اشتباه در حالی که پاسخ‌دهی سریع حفظ شود (برای مثال، برای سیستم‌های 5 ولتی از دیودهای TVS با ولتاژ 5.5 تا 6 ولت استفاده کنید).

تعادل بین عملکرد قفل کننده و تنش وارد بر قطعات

انتخاب دیودهای TVS بر اساس سطح تنش خاص کاربرد:

پارامتر	الکترونیک‌های حساس	سیستم‌های صنعتی
ولتاژ قطع	5–15 V	15–30 ولت
جریان نبضی پیک	50 A	100–300 آمپر
ظرفیت	کمتر از 0.5 پیکوفاراد	کمتر از 5 پیکوفاراد

در کاربردهای اتومبیلی باس CAN، دیودهای TVS دوطرفه با ولتاژ شکست 24 ولتی و ظرفیت جریان 200 آمپری، قابلیت اطمینان 99.8٪ را در سرکوب گذرهای ناگهانی بار فراهم می‌کنند، در حالی که جریان نشتی کمتر از 3 میلی‌آمپر را در حین عملکرد عادی حفظ می‌کنند.

استراتژی: تضمین یکپارچگی سیگنال در خطوط داده با سرعت بالا

برای رابط‌های با سرعت بالا مانند USB 3.2 (10 گیگابیت در ثانیه)، HDMI 2.1 (48 گیگابیت در ثانیه) و PCIe 5.0، از دیودهای TVS با ظرفیت کمتر از 0.3 پیکوفاراد استفاده کنید تا از تحریف سیگنال جلوگیری شود. تکنیک‌های مسیریابی با امپدانس مطابقت یافته را پیاده‌سازی کنید:

• یکنواختی طول مسیرها را در محدوده ±5٪ حفظ کنید
• صفحه زمین یکپارچه را در زیر قطعات TVS فراهم کنید
• به میزان ±5٪ روی امپدانس مشخصه (مثلاً 85 اهم برای USB4) عمل کنید

ادغام بهینه‌شده TVS نشان داده است که می‌تواند بازتاب سیگنال را در لینک‌های اترنت 25 گیگابیتی تا 40٪ کاهش دهد و در عین حال حفاظت کامل 8 کیلوولتی در برابر دشارژ الکترواستاتیک (ESD) را مطابق استاندارد IEC 61000-4-2 فراهم کند. این امر نشان می‌دهد که حفاظت قوی و عملکرد با سرعت بالا می‌توانند همزمان وجود داشته باشند.

سوالات متداول (FAQ)

دیودهای TVS چه کاربردی دارند؟

دیودهای TVS برای حفاظت از اجزای الکترونیکی در برابر ولتاژهای گذرا، تجمع استاتیک و جریان‌های ناگهانی استفاده می‌شوند و اطمینان حاصل می‌کنند که سیستم‌ها به‌صورت ایمن و بدون خرابی‌های غیرمنتظره کار کنند.

چرا دیودهای TVS زمان پاسخ‌دهی سریعی دارند؟

زمان پاسخ‌دهی سریع به دیودهای TVS این امکان را می‌دهد تا به‌سرعت از مقاومت بالا به مقاومت پایین تغییر کنند، نوسانات ولتاژ را محدود کنند و حفاظت مؤثری فراهم کنند.

تفاوت دیودهای TVS یک‌طرفه و دوطرفه چیست؟

دیودهای TVS یک‌طرفه در برابر نوسانات ولتاژ در یک جهت، معمولاً در مدارهای DC، محافظت می‌کنند. دیودهای TVS دوطرفه نوسانات را از هر دو جهت کنترل می‌کنند که در مدارهای AC مفید است.

دیودهای TVS چگونه به صحت سیگنال کمک می‌کنند؟

دیودهای TVS با ظرفیت کم می‌توانند اینترفیس‌هایی مانند USB و HDMI را بدون کاهش کیفیت سیگنال حفظ کنند و انتقال داده با سرعت بالا را ممکن سازند.