Hogyan működnek a TVS-diódák: Ultra gyors korlátozás az avalanche-áttörés révén

Az avalanche-áttörés fizikája, amely nanoszekundumos válaszidőt tesz lehetővé tranziens feszültségekre

A TVS-diódák másodperc tört része alatt védik az elektronikus áramköröket a károsodástól, mivel intelligens módon kihasználják a szilíciumban zajló, vezérelt lavinás átütést – amely akkor következik be, amikor a dióda fordított irányban van polarizálva. Amikor a feszültség hirtelen, a dióda által elviselhető érték (VBR) fölé emelkedik, az atomi szinten érdekes folyamat indul meg: az ütközéses ionizáció láncreakciót indít el, amely során az elektronok és lyukak gyorsan szaporodnak, és vezető pályát hoznak létre – így az extra energiát azonnal „rövidre zárják”. Itt olyan reakcióidőkről beszélünk, amelyek egy nanoszekundumnál is rövidebbek, ezért alkalmazhatók hatékonyan azok ellen a zavaró elektrosztatikus kisülések ellen, amelyek túl gyorsan jelennek meg ahhoz, hogy más megoldások kezelni tudnák őket. Pontosságuk nagymértékben attól függ, hogyan dopolja a gyártó a félvezető anyagot a gyártás során. Ez a gondos hangolás lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy a VBR értékeket meglehetősen szűk tartományba – általában ±5–10%-os eltéréssel – állítsák be. Mi teszi különlegessé a TVS-diódákat az alternatív megoldásokhoz képest, például a MOV-okhoz vagy a gázkisüléses csövekhez képest? Nem hőfelhalmozásra vagy mozgó alkatrészekre támaszkodnak. Ehelyett a szilárdtest-anyagok belsejében zajló kvantumjelenségeket használják fel, így kiváló, stabil teljesítményt nyújtanak akár hőmérséklet-ingadozások esetén is, sőt évekig tartó üzemeltetés után is.

Valós idejű befogási viselkedés ESD- és túlfeszültségi események során

Amikor aktiválódnak, a TVS-diódák korlátozzák a hirtelen feszültségcsúcsokat az úgynevezett zárófeszültségre (VC), amely általában kb. 20–30 százalékkal magasabb a átütési feszültségnél (VBR). Vegyük példaként az IEC 61000-4-2 szabvány szerinti ESD-eseményeket, amelyek gyorsan növekvő feszültségek, 5 nanoszekundumos emelkedési idővel. A dióda majdnem azonnal elkezdi a záró működést – valójában már az első nanoszekundumban –, így megakadályozza, hogy veszélyes csúcstúlfeszültségek elérjék az érzékeny, utánkövető integrált áramköröket. Hosszabb ideig tartó túlfeszültségek esetén, például az IEC 61000-4-5 szabványban meghatározott 8/20 mikroszekundumos hullámformáknál ezek a diódák képesek biztonságosan elvezetni több ezer amperes (IPP) nagyságrendű áramokat földbe, miközben a VC értéket olyan szinten tartják, amely nem károsítja a csatlakoztatott alkatrészeket. Két fő típus létezik: a kétirányú modellek kiválóan alkalmazhatók váltóáramú (AC) kapcsolatoknál, ahol a polaritás nem számít, míg az egyirányú változatok jobb teljesítményt nyújtanak egyenáramú (DC) rendszerekben, mivel zárás közben alacsonyabb előre irányú feszültséggel rendelkeznek. A TVS-diódák igazi előnyét azonban az önműködő visszaállítási képességük adja. Miután a feszültségcsúcs áthaladt rajtuk, automatikusan visszatérnek normál, magas ellenállású állapotukba anélkül, hogy bármilyen manuális újraindításra vagy más védelmi eszközöknél gyakori zárlati problémák kezelésére lenne szükség.

A TVS-diódák kulcsfontosságú paraméterei, amelyeket minden mérnöknek értenie kell

VRWM, VBR, VC és IPP — a gyári adatlapok specifikációinak átfordítása megbízható védőhatárokká

Négy paraméter határozza meg a TVS-dióda hatékony kiválasztását és a rendszerszintű megbízhatóságot:

• V. _RWM (Fordított tartós feszültség) meghaladnia kell a kapcsolás maximális üzemi feszültségét – ideális esetben 10–15%-kal – annak elkerülésére, hogy szivárgási áram lépjen fel vagy hamis aktiválódás történjen normál üzem során.
• V. _BR (átütési feszültség) az avalanche-vezetés kezdőpontját határozza meg; optimális tartalékként 1,2–1,5-szeresnek kell lennie a V _RWM .
• V. _C (Korlátozó feszültség) az a legnagyobb feszültség, amelyet a lefelé irányuló komponensek egy meghatározott I _PP alatt érzékelnek; ennek biztonságosan alatt kell maradnia a védett integrált áramkörök minimális károsodási küszöbértékén.
• Én... _PP (Csúcs impulzusáram) méri a túlfeszültség-kezelési kapacitást szabványos hullámformák (pl. 8/20 μs) alapján; magasabb értékek nagyobb energiamegszűrési képességet jeleznek.

A mérnököknek 20%-os méretezési csökkentést kell alkalmazniuk az I-re _PP 50 °C-os hőmérséklet-emelkedésenként a 25 °C-os környezeti hőmérséklet fölött, és ellenőrizze a V értéket _BR a tűrés a hőmérsékletfüggés figyelembevételével, hogy biztosított legyen a védőhatárok konzisztenciája.

Kapacitás-szempontok nagysebességű interfészekhez (USB, HDMI, Ethernet)

A csomóponti kapacitás (C _J ) közvetlenül befolyásolja az adatjelek integritását a nagysebességű adatvezetékeken. Még a kis mértékű extra kapacitás is csökkenti a magasfrekvenciás összetevőket és torzítja az átmeneti meredekségeket – ami bit-hibákat vagy kapcsolati meghibásodásokat eredményezhet. A célszámok szigorúak:

• USB 3.2 Gen 2 (10 Gbps): ≤1,0 pF
• HDMI 2.1 (48 Gbps): ≤0,3 pF
• 10 GbE Ethernet: ≤0,8 pF

A kétirányú TVS-diódák természetes módon nagyobb kapacitással rendelkeznek, mint egyirányú társaik, mivel kettős átmeneti szerkezettel bírnak. Amikor az elkerülendő parasztikus hatások csökkentésére törekszünk, értelmes a kis kapacitású TVS-komponensek elhelyezése a csatlakozók vagy az integrált áramkörök padjai közelében, legfeljebb kb. 1,27 cm távolságra. Fontos továbbá, hogy a vezetékpályák szélesek és egyenesek legyenek; a legtöbb alkalmazásnál legalább 0,5 mm szélességű vezetékpálya bizonyult jónak. A földelő pad megfelelő csatlakoztatása is lényeges. Kössük közvetlenül egy jó, stabil referencia síkhoz több átvezetőn keresztül, ne csak egyetlen átvezetőn keresztül. Ez segít csökkenteni az induktív impedanciát, amely – ha figyelmen kívül hagyjuk – akár súlyosbíthatja a feszültség-túllendülés problémáját.

TVS-diódák megfelelősége és teljesítménye szabványosított fenyegetési forgatókönyvekben

Az IEC 61000-4-2 (ESD), -4-4 (EFT) és -4-5 (feszültségcsúcs) szabványok követelményeinek teljesítése

A TVS-diódák úgy vannak kialakítva, hogy kezelni tudják ezeket a nehéz immunitási követelményeket, és általában túllépik azokat a szükséges szinteket. Az IEC 61000-4-2 szabvány vonatkozásában ezek a komponensek rendkívül gyorsan képesek elviselni az intenzív 30 kV-os érintési kisüléses ESD-impulzusokat, megakadályozva, hogy azok azonnal vagy idővel károsítsák az érzékeny mikrovezérlőket vagy interfész IC-ket. Kiválóan működnek az ismétlődő EFT-impulzuscsoportokkal is (az IEC 61000-4-4 szabvány szerint, kb. 5 kHz-től 100 kHz-ig tartó frekvenciatartományban). A gyors visszatérési idő és az alacsony dinamikus ellenállás kombinációja lehetővé teszi, hogy ezek a diódák eltávolítsák az adatsorokról a többamperes tranziens csúcsokat anélkül, hogy megbolygatnák a kommunikációt. A nagyenergiás túlfeszültség-tesztek során – az IEC 61000-4-5 szabvány előírásai szerint – megfelelően tanúsított TVS-diódák akár 6 kV/3 kA erősségű túlfeszültséget is elviselnek a vezeték és föld közötti kapcsolatban, miközben teljesítményük stabil marad, és nem következik be jelentős hiba. Független vizsgálatok igazolják, hogy ezek a komponensek kiválóan működnek extrém hőmérsékleti körülmények között is (–40 °C-tól egészen +125 °C-ig), teljesítve a 4. osztályú immunitási szabványt. A tervező mérnökök nagyon értékelik, hogy ezek a alkatrészek egyetlen megbízható komponensbe integrálják a védettséget, így nem szükséges többrétegű szűrők és egyéb lefogó eszközök alkalmazása. Ez az egyszerűsítés csökkenti a szükséges alkatrészek számát a beszerzési listán, megkönnyíti a tanúsítási folyamatot, és általában javítja a termékek megbízhatóságát a gyakorlati üzemeltetés során.

Gyakorlatias TVS-dióda-kiválasztás és PCB-elrendezési ajánlott eljárások

Kétirányú vs. egyirányú TVS-diódák: polaritás, földelés és hibalefedettség összeegyeztetése

Amikor a mérnökök döntenek a kétirányú és az egyirányú TVS-diódák között, figyelembe kell venniük, hogyan vezetik a jeleket a rendszeren keresztül, valamint milyen típusú hibák léphetnek fel. A kétirányú megoldások úgy működnek, mint két lavinadióda egymással szemben, így szükségesek azokhoz az AC-kapcsolatokhoz vagy lebegő kapcsolatokhoz, amelyeket például az RS-485, az HDMI és az Ethernet esetében látunk, ahol a feszültségcsúcsok bármelyik irányból érkezhetnek. Az egyirányú változatok valójában jobban teljesítenek egyenáramú (DC) áramkörökben a feszültségkorlátozás terén, mivel hatékonyabban vezetik az áramot pozitív tranziensek esetén, emellett akadályozzák az áramátfolyást negatív csúcsok esetén. Azonban a rossz választás súlyos következményekkel járhat. Ha egy egyirányú diódát helyezünk egy kétirányú kommunikációs vonalra, akkor hiányzik a védelem a negatív túlfeszültségek ellen, amelyek károsíthatják a soron következő érzékeny alkatrészeket. A földelési kapcsolat itt ugyanolyan fontos. A legjobb gyakorlat szerint rövid, széles rézvezetékekkel kell a TVS-dióda katódjától (vagy a kétirányú modellek esetében a közös ponttól) közvetlenül egy tömör földelési síkhoz vezetni, több hővezető átmeneti furattal (thermal via) a stabilitás érdekében. A rossz földelés olyan zavaró földelési visszaverődési (ground bounce) problémákat okozhat, amelyek jelentősen csökkentik a túlfeszültség-védelem hatékonyságát – különböző ipari tesztek szerint a tranziens viselkedésre vonatkozóan akár majdnem 50%-kal is csökkenthetik azt.

Optimális elhelyezés: nyomvonal-induktivitás minimalizálása és védőhatás maximalizálása

A nyomtatott áramkör (PCB) elrendezése valójában fontosabb a TVS-eszközök teljesítményének szempontjából, mint pusztán a komponensek műszaki adatainak vizsgálata. A diódának legfeljebb kb. fél centiméter távolságra kell lennie a csatlakozóról vagy a védett integrált áramkör (IC) kivezetéséről. Minden további centiméter körülbelül 10 nanohenry soros induktivitást vezet be, ami késleltetheti a lefogó hatást, és veszélyes feszültségcsúcsok megjelenését engedheti meg ESD-események idején. A vezetékpályák tervezésekor egyenes vonalakat célszerű alkalmazni, és a vezetékpályákat szélesre (legalább 20 mil-re) kell kialakítani, elkerülve az impedancia-problémákat okozó derékszögű kanyarokat. Nagysebességű interfészek esetén a TVS-eszközt a lehető legközelebb kell elhelyezni a csatlakozóhoz. A földelő padot közvetlenül a referenciás síkkal kell összekötni három vagy több, egyenletesen elosztott átmenő furattal (via). Ez alacsony induktivitású visszatérő útvonalat hoz létre, amely a túlfeszültségi áram több mint 90 százalékát eltávolítja a finom elektronikától. A gyakorlatban végzett, az IEC 61000-4-2 szabvány szerinti tesztek kimutatták, hogy ezek az elrendezési technikák körülbelül felére csökkentik a tranziens hatás időtartamát összehasonlítva a régebbi módszerekkel, például a láncszerűen összekötött földelésekkel vagy azokkal a problémásan hosszú „stub” (elágazás nélküli) vezetékpályákkal.