Kaip veikia TVS diodai: avarinio pramušimo režimas ir ESD apsaugos mechanizmas

Avarinio pramušimo reakcija į laikinus per didelės įtampos įvykius

TVS diodai veikia naudodami kontroliuojamą lavinos aptemimą savo P-N sandūrose, kad apsaugotų elektroninius grandynus. Paprastai šie įrenginiai tiesiog sėdi nieko nedarę, iš esmės turėdami didelę varžą, kad netrukdytų įprastai veiklai. Tačiau kai kas nors sugenda ir įtampa viršija saugų lygį, diodas beveik akimirksniu pradeda veikti. Per trilijonusios sekundės jis sukuria trumpąjį jungimą, kuris nukreipia pavojingas elektros perkrovos nuo jautrių grandinės dalių. Tai, kas daro šį reiškinį nepaprastą, yra tai, kaip pastoviai patikimas jis lieka net po daugkartinio naudojimo laikui bėgant. Pagal pramonės standartus, tokius kaip IEC 61000-4-2, šiuolaikiniai TVS diodai gali išlaikyti viską – nuo statinio smūgio, kurį sukelia žmonės, liestantys įrangą (iki plius arba minus 8 kilovoltų), iki milžiniškų energijos perteklių, atsirandančių dėl artimų perkūnijų. Jų veiksmingumas priklauso nuo protingo puslaidininkinės sandūros inžinerijos ir nepaprastai greito reagavimo laiko – mažesnio nei 0,5 nanosekundės.

Realus laikas spausti veiksmą vykstant ESD ir perkrovos įvykiams

Aktyvavus, TVS diodas pereina į taip vadinamą varžymo režimą. Pagrindinis dalykas – jis apriboja įtampą apsaugotuose grandynuose iki saugaus lygio, kurį vadiname varžymo įtampa arba trumpai VCL. Tai vyksta labai greitai, vos tik pasiekiamas pramušimo taškas. Tada diodas nukreipia perteklinę impulsinės srovės energiją saugiai į žemę, neleisdamas, kad įtampa toliau nei nuo jo viršytų ribas, kurias gali išlaikyti prijungti integriniai grandynai. Dauguma šiuolaikinių loginių komponentų turi viršutinę ribą apie 20 voltų ar mažiau. Susidorojęs su įtampos šuoliu, TVS diodas greitai atsistato ir grįžta į normalią būseną su dideliu varžumu. Tai neleidžia atsirasti pavojingoms sąlygoms, tokioms kaip užfiksavimo situacijos ar perkaisti. Tyrimai rodo, kad tinkamai įdiegus TVS apsaugą, elektrostatinio išlydžio problemos vartotojų prietaisuose sumažėja daugiau nei dvigubai. Dėl to TVS apsauga tampa ne tik svarbi, bet iš tiesų būtina elektroninių sistemų patikimam veikimui užtikrinti.

Svarbiausi TVS diodų parametrai: pramušimo, apkrovos ir izoliacijos įtampa

Suprantant tris įtampos charakteristikas – V _BR (pramušimo įtampa), V _Cl (apkrovos įtampa) ir V _WM (darbo įtampa / izoliacija) – būtina patikimai laikinųjų reiškinių apsaugai

V pateikimas _BR (pramušimo), V _Cl (apkrovos) ir V _WM (izoliacijos) duomenų lapuose

Įtampos darbo maksimumas (VWM) iš esmės nurodo didžiausią atvirkštinę įtampą, kurią gali išlaikyti diodas, kol nepradeda pasireikšti pastebimos nutekėjimo srovės. Galima tai laikyti saugumo riba, kurios neturėtų būti peržengta. Tada yra įtampos pramušimo reitingas (VBR), kuris paprastai būna apie 10–15 procentų aukštesnis nei VWM. Būtent šiuo metu diodas pradeda laiduoti elektros srovę lavinos režimu. Praktiniams tikslams dažniausiai svarbiausias yra įtampos fiksavimo lygis (VCL), nes jis tiksliai parodo, kokia viršutinė įtampa perduodama apsaugomiems grandynams, pvz., kilus įtampos šuoliams 1 A ar net 10 A. Realios sąlygos bandymai patvirtina, kad šis skaičius iš tiesų turi reikšmės. Dauguma inžinierių žino, kad VCL reikia išlaikyti gerokai žemiau maksimalių įtampos charakteristikų tose pažeminės pusės integruotose schemose. Kodėl? Todėl, kad kai konstruktoriai ignoruoja šį taisyklę, atsitinka nelaimei. Pagal duomenis iš „Electronics Reliability Quarterly“ praėjusiais metais, maždaug dvi trečdalio visų realių gedimų įvesties/išvesties sąsajose susiję būtent su šia problema.

Kodėl svarbu žema užspaudimo įtampa ir greitas reakcijos laikas (<1 ns) grandinės apsaugai

Labai svarbu tinkamai parinkti žemą VCL. Paimkime mikrovaldiklį, kuris suprojektuotas 8 voltams – jis tiesiog tinkamai neveiks, jei bus veikiamas 10 voltų apkrovos, nepaisant to, kiek geri atrodo VBR ir VWM techniniai duomenys popieriuje. Dar vienas svarbus aspektas čia yra greitis. ESD impulsai pasiekia didžiausią srovę per mažiau nei nanosekundę, o tai reiškia, kad komponentai, kuriems reagavimui reikia ilgiau nei 5 ns (pvz., kai kurie varistoriai), leidžia žalingus įtampos šuolius prieš jiems spėjant įsijungti. Pagal praėjusiais metais atliktus ESD asociacijos tyrimus, TVS diodai, kurie reaguoja greičiau nei per 500 pikosekundžių ir turi geresnius VCL rodiklius, sumažina plokštės gedimus beveik tris kartus, lyginant su standartiniais apsaugos prietaisais. Toks patobulinimas lemia esminį skirtumą saugant jautrią elektroniką trumpalaikiams, bet labai stipriems elektros išlydžiams.

Dvikrypčiai ir vienakrypčiai TVS diodai: bendrųjų sąsajų atrankos gairės

TVS diodai yra dviejų pagrindinių tipų: vienakrypčiai ir dviakrypčiai, kiekvienas sukurtas specifinėms signalo aplinkoms. Vienakrypčiai veikia apribojant įtampos šuolius tik viena kryptimi, todėl jie puikiai tinka nuolatinės srovės grandinėms. Galvokite apie USB prievadus ar automobilių elektroniką, kur maitinimo įtampos šuoliai dažnai pakyla virš tam tikro lygio kartotinai. Kita vertus, dviakrypčiai TVS diodai vienodai gerai tvarko tiek teigiamus, tiek neigiamus įtampos šuolius. Jie ypač svarbūs dirbant su kintamosios srovės signalais ar bet kurioje sistemoje, kur elektros srovė gali tekėti abiem kryptimis. Juos nuolat sutinkame telefonijos linijose, garso įrangos jungtyse ir sudėtingose šiuolaikinių automobilių CAN magistralės sistemose.

Renkantis tarp skirtingų diodų tipų, didelis dėmesys skiriamas poliškumo jautrumui. Vienos krypties diodai turi būti sumontuoti griežtai nustatyta kryptimi, tuo tarpu dvikrypčiai diodai suteikia konstruktoriams daugiau laisvės projektuojant grandines. Pavyzdžiui, USB 2.0 ir 3.0 duomenų linijos geriau veikia su dvikryptėmis masyvais, kadangi jos turi reikalą su triukšmu, ateinančiu iš abiejų pusių vienu metu. Maitinimo linijos paprastai naudoja vienos krypties diodus, nes jie užtikrina patikimą apsaugą nebrangiai. Abi parinktys reaguoja panašiais greičiais – iki pikosekundžių, nors jų vidinė sandara skiriasi. Standartiniai vienos krypties modeliai turi tik vieną P-N sandūrą, o dvikrypčiai modeliai sujungia dvi sandūras galais į galą, taip vadinamoje serijinės priešpriešos konfigūracijoje.

TVS diodų taikymo optimizavimas: geriausios praktikos dėl PCB išdėstymo ir USB sąsajos apsaugos

Strateginė išdėstymas šalia I/O jungčių ir parazitinės induktyvumo mažinimas

Labai svarbu, kurioje vietoje yra montuojami TVS diodai. Jie turėtų būti patalpinti kuo arčiau I/O jungčių, pageidautina ne daugiau kaip 5 mm atstumu, kad galėtų sugauti erzelį dar iki jo pasiekimo spausdintinės grandinės plokštę. Kai takeliai per ilgi, jie pradeda kelti problemų dėl parazitinės induktyvumo, kas iš tikrųjų padidina apkrovos įtampą greituose nanosekundžių įvykiuose. Kiekvienas papildomas milimetras gali padidinti įtampą apie 1,5–2 voltus. Geriausiems rezultatams rekomenduojama naudoti plonus, tiesius takelius, ne mažesnius kaip 20 mil storio. Žemės išvedimą reikia prijungti tiesiai prie aukštos kokybės, žemo induktyvumo žemės plokštumos, o ne naudoti grandininį sujungimą ar bendrinti jį su kitais triukšmingais skaitmeniniais komponentais. Be to, reikėtų vengti stačiakampių lenkimų ir nereikalingų skylučių (vias) palei apsaugos kelią. Šios smulkmenos lemia visiškai kitokį rezultatą užtikrinant signalo vientisumą ir reikiamą greitą bei patikimą apkrovos veikimą.

TVS diodų naudojimas tvirtai USB 2.0/3.0 apsaugai kurti

Dirbant su USB sąsajomis reikia ypatingo atsargumo. Dirbant su USB 3.0 įspūdingu 5 Gbit/s greičiu, inžinieriams reikia pasirinkti TVS masyvus su labai žema talpa – mažesne nei 0,5 pF vienai linijai, kad signalai išliktų švarūs ir būtų išvengta varginančių akių diagramos problemų. Svarbūs taip pat tinkami komponentai – ieškokite dvikrypčių diodų, kurie išlaiko bent 5 voltus, tuo pačiu laikydami užveržimo įtampą žemiau 9 voltų. Tai apsaugo abu ryšio galus nuo pažeidimų. Kitas svarbus veiksnys – įžeminimo strategija. Šiuo atveju geriausia tinka žvaigždinis įžeminimas, kuriuo visos TVS žemės tiesiogiai jungiamos prie specialios korpuso žemės arba atskiro analoginio žemės sluoksnio. Tokia konfigūracija padeda išvengti žemės šokinėjimo problemų staigiais ESD impulsais. Dabar, kai USB-C prievadai tapo tokie paplitę, logiška derinti diferencialinių linijų apsaugą su specifiniais CC linijų slopintuvais. Jie įveikia tiek duomenų perdavimo šuolius, tiek maitinimo tiekimo svyravimus. Svarbiausia, bandymai pagal IEC 61000-4-2 4 lygio standartą (kas reiškia 8 kV kontaktinį išlydį) parodo, kad šis metodas leidžia USB 3.0 veikti pilnu greičiu, kartu puikiai atlaikant elektrostatines grėsmes.

DUK

Kokia yra TVS diodų pagrindinė funkcija?

TVS diodai apsaugo elektroninius grandynus, naudodami kontroliuojamą lavinos aptemimą savo P-N sandūrose, kad sugautų ir nukreiptų įtampos šuolius nuo jautrių komponentų.

Koks yra TVS diodų reakcijos laikas?

TVS diodai reaguoja mažiau nei per 0,5 nanosekundės, užtikrindami iškartinę apsaugą trukčiose pernelyg didelės įtampos atvejais.

Kuomi skiriasi vienakrypčiai ir dvikrypčiai TVS diodai?

Vienakrypčiai TVS diodai tinka nuolatinės srovės grandinėms ir riboja įtampos šuolius viena kryptimi, o dvikrypčiai valdo įtampos šuolius iš abiejų krypčių kintamosios srovės signalų aplinkose.

Kodėl svarbu teisingai išdėstyti TVS diodus ant PCB?

TVS diodai turėtų būti arti I/O jungčių, kad būtų sumažintas parazitinės induktyvumo poveikis ir greitai sugauti trukčiojo pobūdžio įtampos šuoliai, užtikrinant veiksmingą grandinės apsaugą.