Kaip veikia TVS diodai: ultra greitas aprišimas per lavinos pramušimą

Lavinos pramušimo fizika, leidžianti reaguoti į laikinąsias įtampas per nanosekundes

TVS diodai apsaugo elektronines grandines nuo pažeidimų per kelioms šimtosioms sekundės dalims, naudodami kontroliuojamą silicio lavinos pralaužimą atvirkščiai poliuotame silicijyje. Kai įtampa staigiai pakyla virš diodo galimos įtampos (vadinamosios VBR), atomų lygyje įvyksta įdomus reiškinys. Įtampos poveikis sukelia grandininę reakciją, kurioje elektronai ir skylės greitai dauginasi, sukuriant laidų taką, kuris praktiškai akimirksniu „su trumpuoja“ perteklinę energiją. Šių komponentų reakcijos laikas yra mažesnis nei vienas nanosekundė, todėl jie taip puikiai veikia prieš tas nepatogias elektrostatinės iškrovos, kurios kilsta pernelyg greitai, kad kitos apsaugos priemonės успėtų įsijungti. Jų tikslumas priklauso daugiausia nuo to, kaip gamintojas dopuoja puslaidininkinį medžiagą gamybos metu. Šis rūpestingas derinimas leidžia inžinieriams pasiekti VBR reikšmes labai siaurose ribose – paprastai ±5 %–10 %. Kuo TVS diodai išsiskiria palyginti su kitomis alternatyvomis, pvz., varistoriais ar dujų išlyginimo vamzdeliais? Jie nepriklauso nuo šilumos kaupimosi ar judančių dalių. Vietoje to jie naudoja kvantinius reiškinius, vykstančius kietųjų medžiagų viduje, todėl jų veikimas lieka nejudantis net tada, kai kinta temperatūra ar praėjus metams eksploatacijos.

Realiojo laiko spaustukų elgsena ESD ir smūgio įvykių metu

Kai įjungiamos, TVS diodai riboja staigius įtampų šuolius iki taip vadinamos „prispaudimo įtampos“ (VC), kuri paprastai būna apie 20–30 procentų aukštesnė už pralaužimo įtampą (VBR). Pavyzdžiui, IEC 61000-4-2 standarto nustatytose elektrostatinio iškrovimo (ESD) situacijose įtampa staigiai pakyla per 5 nanosekundes. Diodas pradeda prispaudimą beveik nedelsdamas – iš tikrųjų jau pirmąją nanosekundę, todėl pavojingos viršūninės įtampos nepatenka į jautrius žemesniuosius integrinius grandynus. Ilgesniems energijos pertekliams, pvz., IEC 61000-4-5 standarte nurodytoms 8/20 mikrosekundžių bangos formoms, šie diodai saugiai nukreipia į žemę milžiniškus srovės srautus, matuojamus tūkstančiais amperų (IPP), tuo pačiu išlaikydami prispaudimo įtampą (VC) žemiau lygio, kuris galėtų pažeisti prijungtus komponentus. Yra ir du pagrindiniai tipai: dvikrypčiai modeliai puikiai tinka kintamosios srovės (AC) jungtims, kur poliaritetas neturi reikšmės, o vienkrypčiai variantai pasižymi geresniais parametrais nuolatinės srovės (DC) sistemose, nes jų įtampa į priekį (forward voltage) prispaudimo metu yra žemesnė. Tačiau tai, kas daro TVS diodus iš tiesų naudingais, – jų gebėjimas automatiškai grįžti į pradinę būseną. Po bet kokio įtampų šuolio jie savarankiškai grįžta į normalią aukštą varžą, todėl nereikia jokio rankinio perstatymo arba susidurti su „latch-up“ reiškiniu, kuris gali kliudyti kitoms apsaugos priemonėms.

Pagrindiniai TVS diodų parametrai, kuriuos turi suprasti kiekvienas inžinierius

VRWM, VBR, VC ir IPP — techninių duomenų lapų specifikacijų vertimas patikimomis apsaugos ribomis

Keturi parametrai nulemia veiksmingą TVS parinkimą ir sistemos lygio patikimumą:

• V _RWM (Atvirkštinė išlaikymo įtampa) turi būti didesnė už grandinės maksimalią darbinę įtampą — pageidautina 10–15 % — kad būtų išvengta nuotėkio ar neteisingo aktyvinimo normalios veiklos metu.
• V _BR (pramušimo įtampa) apibrėžia lavinos laidumo pradžią; optimaliai parenkant saugos ribą, ji turėtų būti 1,2–1,5 kartų didesnė už V _RWM .
• V _C (Įtampa aprišimo režime) yra maksimali įtampa, kurią patiria žemiau esančios komponentų grandinės nustatytoje I _PP pulso srovės vertėje; ji turi likti saugiai žemiau apsaugomų integrinių grandynų minimalios žalos ribos.
• A _PP (Maksimali pulso srovė) kinta viršūnės srovės valdymo talpa standartinėmis bangos formomis (pvz., 8/20 μs); didesnės reikšmės rodo didesnę energijos sugerties galimybę.

Inžinieriai turėtų taikyti 20 % srovės I sumažinimą _PP kiekvienam 50 °C pakilimui virš 25 °C aplinkos temperatūros ir patikrinti V _BR tikslumas visame temperatūrų diapazone, kad būtų užtikrinti nuoseklūs apsaugos rezervai.

Kondensatoriaus talpos svarstymai aukšto dažnio sąsajoms (USB, HDMI, Ethernet)

Sandūros talpa (C _J ) tiesiogiai veikia signalo vientisumą aukšto dažnio duomenų linijose. Net nedidelė papildoma talpa slopina aukštųjų dažnių dedamąją ir iškreipia kraštų laiko charakteristikas – dėl to gali kilti bitų klaidos arba ryšio nutrūkimai. Taikomosios vertės yra griežtos:

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

Dvikryptės TVS diodai natūraliai turi didesnį talpumą nei vienkryptės diodos, nes jie turi šią dvigubos jungties konstrukciją. Kai siekiama sumažinti šiuos nepageidaujamus parazitinius reiškinius, logiška žemos talpumos TVS komponentus įrengti ne toliau kaip apie pusę colio nuo jungtukų arba integruotų grandynų kontaktų plokštumų. Taip pat svarbu, kad laidai būtų platūs ir tiesūs – daugumai programų geriausiai tinka bent 20 milų pločio laidai. Teisingas žemės kontakto padėklų prijungimas taip pat yra svarbus. Juos reikia sujungti tiesiogiai su patikima, tvirta atskaitos plokštuma naudojant kelis perėjimo kontaktus (vias), o ne tik vieną. Tai padeda sumažinti indukcinę varžą, kuri, jei nepastebima, gali dar labiau pabloginti įtampų viršukilimo problemas.

TVS diodų atitiktis standartinėms grėsmėms ir jų veikimo charakteristikos

Atitikimas IEC 61000-4-2 (ESD), -4-4 (EFT) ir -4-5 (perkrūvio) reikalavimams

TVS diodai sukurti tam, kad atlaikytų šiuos sunkius imunumo reikalavimus, dažnai viršydami tai, kas reikia. Kalbant apie IEC 61000-4-2 standartus, šie komponentai gali labai greitai susidoroti su intensyviomis 30 kV kontaktinės iškrovos elektrostatinio krūvio (ESD) impulsais, sustabdant juos prieš jų pažeidžiant jautrius mikrovaldiklius ar sąsajos integrines grandines tiek iš karto, tiek laikui bėgant. Jie taip pat puikiai veikia kartotinėms EFT (elektros greitųjų trukdžių) impulsų serijoms (pagal IEC 61000-4-4 standartą, dažniu nuo apytiksliai 5 kHz iki 100 kHz). Greitas atsigavimo laikas kartu su žema dinamine varža leidžia šiems diodams nukreipti daugiaamperius laikinusius įtampų smūgius nuo duomenų linijų, nepažeidžiant ryšio. Aukštos energijos perkrūvių bandymų metu pagal IEC 61000-4-5 specifikacijas tinkamai sertifikuoti TVS diodai gali atlaikyti iki 6 kV/3 kA stiprumo smūgius tarp linijos ir žemės jungčių, išlaikydami stabilų veikimą be rimtų gedimų. Nepriklausomi bandymai parodo, kad jie gerai veikia esant labai ekstremalioms temperatūroms (nuo –40 °C iki +125 °C), atitinkdami 4 klasės imunumo reikalavimus. Projektuotojai vertina tai, kad šie komponentai apima apsaugą viename patikime elemente, o ne reikalauja kelių filtrų ir kitų apribojimo įrenginių sluoksnių. Toks supaprastinimas sumažina medžiagų sąraše nurodytų detalių skaičių, palengvina sertifikavimą ir bendrai padeda pasiekti didesnę patikimumo laipsnį, kai produktai faktiškai naudojami realiomis sąlygomis.

Praktiškas TVS diodų pasirinkimas ir geriausios praktikos klojant juos ant spausdintųjų plokštų

Dvikrypčiai ir vienkrypčiai TVS diodai: atitinkama poliarumas, įžeminimas ir gedimų apsauga

Kai inžinieriai renkasi tarp dvikrypčių ir vienkrypčių TVS diodų, jiems reikia įvertinti, kaip signalai perduodami per sistemą ir kokios rūšies gedimai gali įvykti. Dvikrypčiai variantai veikia kaip du nuosekliai sujungti lavinos diodai, todėl jie būtini kintamosios srovės (AC) jungtyse ar plaukiojančiose (floating) jungtyse, tokiuose įrenginiuose kaip RS-485, HDMI ir Ethernet, kur įtampų smūgiai gali atsirasti iš bet kurios krypties. Vienkrypčiai variantai iš tikrųjų geriau apriboja įtampas nuolatinės srovės (DC) grandinėse, nes jie efektyviau praleidžia srovę teigiamų laikinųjų įtampų atveju, taip pat užkerta kelią srovės tekėjimui neigiamų smūgių metu. Klaida šioje srityje turi labai didelės reikšmės. Jei vienkrypčio diodo įstatoma į dvikrypčių ryšių liniją, tai palieka apsaugos spragas prieš neigiamus smūgius, kurie gali pažeisti jautrius komponentus, esančius grandinės žemiau esančioje dalyje. Žemės jungtis čia taip pat yra labai svarbi. Geriausia praktika – trumpomis ir plačiomis varinėmis laidinėmis nuvesti laidą nuo TVS katodo (arba bendrojo taško dvikrypčiuose modeliuose) tiesiai į tvirtą žemės plokštumą su keliais šiluminiais skylėmis stabilumo tikslais. Netinkama žemės jungtis sukelia nepatogias žemės šuolių (ground bounce) problemas, kurios sumažina smūgių apsaugos veiksmingumą, o įvairiuose pramonės tyrimuose, susijusiuose su laikinųjų reiškinių elgsena, jos veiksmingumas kartais sumažėja net beveik per pusę.

Optimalus išdėstymas: mažinama laidų induktyvumas ir maksimaliai padidinama apsaugos veiksmingumas

Tikroji PCB išdėstymo schema iš tikrųjų turi didesnę įtaką TVS veikimui nei vien tik komponentų techniniai duomenys. Diodas turėtų būti įmontuotas ne toliau kaip apie pusę centimetro nuo jungties arba apsaugomojo integrinio grandinės (IC) kontakto. Kiekvienas papildomas centimetras įveda maždaug 10 nanohenrių nuosekliosios induktyvumo reikšmės, kuri gali uždelsti įtampos apribojimo veikimą ir leisti pavojingoms įtampos smūgių bangoms pasireikšti ESD įvykių metu. Maršrutuodami laidus, stenkitės naudoti tiesias linijas ir laikyti juos kuo platesnius (ne mažiau kaip 20 mil), išvengdami stačiųjų kampų lenkimų, kurie sukelia impedanso problemas. Aukšto dažnio sąsajoms TVS reikėtų įmontuoti kuo arčiau paties jungties. Žemės padėklą tiesiogiai prijunkite prie atskaitos plokštumos naudodami tris ar daugiau lygiai išdėstytų perėjimo skylių (via). Tai sukuria gerą žemos induktyvumo grįžtamąjį kelį, kuris nukreipia daugiau nei 90 procentų smūginės srovės nuo jautrios elektronikos. Realiojo pasaulio bandymai, atlikti pagal IEC 61000-4-2 standartą, parodė, kad šios išdėstymo technikos sumažina laikinųjų viršįtempių veikimo trukmę maždaug dvigubai, palyginti su senesniais metodais, kai žemės jungtys buvo sujungtos grandinėlės būdu arba naudojamos nepatogios ilgos „stub“ („nuotrupos“) jungtys.