Įtampos stabilizavimo diodai: esminės komponentės, saugančios jūsų elektroniką

Kaip veikia TVS diodusai: nuo normalaus veikimo iki perkrovinės apsaugos

Reakcijos mechanizmas į įtampos impulsus ir ESD įvykius

TVS diodusai veikia kaip greitai reaguojantys įtampos jungikliai, kurie perjungia iš aukšto atsparumo į mažą per milijardines sekundės dalis, kai atsiranda staigūs įtampos šuoliai. Kai statinė elektros energija kauptasi ir išsikrauna per grandines, šie komponentai įsijungia siekdami apsaugoti jautrią elektroniką, ribodami įtampą iki saugaus lygio. 2023 metų pramonės ataskaita parodė, kad šių dienų TVS diodus sumažina pavojingus įtampos šuolius nuo 70 % iki beveik visų, lyginant su sistemomis be apsaugos. Daugelio modelių dvikryptė talpa yra tarp 0,5 ir 50 pikofaradų, o tai reiškia, kad jie netrukdo įprastai signalų perdavimui, tačiau lieka pasirengę greitai reaguoti situacijose, kai apsauga yra labiausiai reikalinga.

Veikimas esant normaliai ir pernelyg aukštai įtampai

TVS diodusai normaliai veikiant parodo nutekėjimo sroves mažesnes nei 1 mikroampas, todėl jie daugeliu atvejų neturi įtakos energijos naudosenoms. Jei įtampa viršija vadinamąją atvirkštinę laikymo įtampą (arba VRWM), šie diodusai patenka į procesą, vadinamą lavinės pramušimo būsena, kuri iš esmės reiškia, kad jie pradeda leisti elektros srovę kontroliuojamu būdu. Toks įtampos ribojimo efektas neleidžia įtampos šuoliams tapti pernelyg dideliems, o tai yra labai svarbu apsaugoti jautrius komponentus, tokius kaip mikrovaldikliai. Paimkime automobilies klasės TVS diodus kaip pavyzdį. Šie diodusai gali išlaikyti pakartotinius 30 kilovoltų elektrostatinio išsiskyrimo impulsus ir aktyvuoti per mažą nanosekundės dalį, todėl jie yra gana patikimi net sunkiomis sąlygomis, kur kiti komponentai gali sugesti.

Atvejo analizė: Greitas reiškias elektronikoje esant ESD

TVS diodus, naudojamus išmaniuosiuose telefonuose esančiuose USB-C prievaduose, sumažino ESD susijusias gedimus gana reikšmingai, faktiškai apie 83 %, dėl jų nepaprastai greito reagavimo laiko – mažesnio nei nanosekundė. Vienas didelis telefono gamintojas neseniai atliko bandymus, parodančius kažką nuostabaus. Susidūrus su 15 kV kontaktiniais iškrova, šie diodai sumažino įtampos lygmenis ties grandinės įvesties tašku iki maždaug 6 voltų. Tai daug žemiau nei įprastai keliauja problemas, kurios paprastai yra apie 12 voltų. Tai, kas dar labiau palengvina gamintojams, yra tai, kad visa ši apsauga veikia be jokio duomenų perdavimo greičio sumažinimo. Prievadai išlaiko visą 10 gigabitų per sekundę perdavimo spartą, todėl vartotojai nepastebi jokio skirtumo perduodant failus ar įkraunant įrenginius. Pažengusi TVS technologija išlaiko sklandžią veiklą be jokio našumo ar signalo kokybės aukos.

Tendencija: Užspaudimo greičio ir patikimumo tobulinimas

Naujausios TVS diodai yra gaminami iš silicio karbido (SiC) medžiagos, todėl jie gali reaguoti vos per 500 pikosekundžių, o tuo tarpu vis dar gali išlaikyti viršutinę impulsinę galią apie 600 vatų. Tikrai įspūdinga yra tai, kad gamintojai dabar gali pažadėti daugiau nei 100 tūkstančių impulsų ciklų esant visai srovės apkrovai, o tai reiškia, kad patikimumas yra maždaug keturis kartus didesnis nei buvo prieinamas 2019 metais. Šie patobulinimai yra labai svarbūs sunkiose aplinkose, tokiose kaip 5G baziniai siųstuvai ir EV įkrovimo sistemos, kur gerą laikinąją apsaugą užtikrinti būtina, kad sistemos būtų veiksmingos ir saugios ilgam laikui be netikėtų gedimų.

Pagrindiniai parametrai, naudojami pasirinkti TVS diodus optimaliai apsaugai

Pramušimo įtampa, įtampos apribojimas ir nutekėjimo srovė paaiškinta

Tinkamo TVS diodo pasirinkimas priklauso nuo trijų pagrindinių parametrų supratimo:

• Pramušimo įtampa (V _BR ): Įtampa, kai diodas pradeda reikšmingai laidoti, paprastai nustatoma 10–15 % virš normalios veikimo įtampos.
• Įspaudimo įtampa (V _C ): Įtampa, kuri yra perduodama į apsaugotą grandinę per laikinąjį reiškinį; mažesnės reikšmės geriau apsaugo jautrius komponentus (pvz., <50 V USB-C).
• Nutekėjimo srovė (I _D ): Maža srovė, tekančia esant normalioms sąlygoms; reikšmės žemiau 5 µA neleidžia kirsti energijos ir sukelti klaidingo aktyvavimo, ypač svarbu baterijomis varomuose ir automobilyje naudojamuose davikliuose.

Maksimali impulsinė srovė ir energijos valdymo geba

Maksimalus impulsinis srovės (IPP) reiškia, kokią aukščiausią trumpalaikę srovę diodas gali išlaikyti, nepažeidžiant jo. Tai yra labai svarbu kalbant apie tokias sistemas kaip serverių maitinimo šaltiniai, kurie gali susidurti su stipriomis elektros įtampos apkrovomis, pavyzdžiui, perkūnijos trenksmais, kai srovės šuoliai gali viršyti 200 amperų. Kai kalbame apie energijos kiekį, kurį šie įrenginiai turi sugerti, mes jį matuojame džauliais. Daugelyje pramonės įrenginių pageidautina, kad jie galėtų išlaikyti bent 150 džaulių energijos. Jei norime, kad mūsų sistemos būtų patikimos ilgalaikėje perspektyvoje ir kartu apsaugotų nuo įtampos šuolių, racionalu išlaikyti įtampos ribojimo santykį (VC padalintą iš VBR) žemiau 1,5. Tai padeda sumažinti prijungtų įrenginių nusidėvėjimą, todėl ilgainiui sutaupoma lėšų dėl rečių gedimų.

Atvejo analizė: Parametrų pasirinkimas nuolatinės srovės keitiklio grandinėse

24 V nuolatinės srovės/DC žeminimo keitiklis patyrė dažnus gedimus dėl relės perjungimo impulsų. Inžinieriai išsprendė šią problemą parenkant TVS diodą su:

1. V _BR > 30 V (20% virš maksimalios eksploatacinės įtampos)
2. A _PP ≥ 150 A (patvirtinta pagal ISO 7637 bandomųjų impulsų standartą)
3. Sandūros talpa <10 pF, kad būtų išlaikytas aukšto dažnio perjungimo našumas
   Toks taikytas pasirinkimas sumažino gedimus lauke 75% ir užtikrino atitikimą automobilyje naudojamų detalių patikimumo standartui AEC-Q101.

Strategija: TVS techninių charakteristikų pritaikymas prie taikymo reikalavimų

Naudokite šią sistemą TVS techninių charakteristikų suderinimui su taikymo reikalavimais:

Taikymo reikalavimas	Pagrindinių parametrų analizė	Patikros metodas
Aukštojo dažnio duomenų prievadai	Sandūros talpa	Akių diagramos testavimas
Įtampos šuoliai elektros linijose	Energijos absorbcija	8/20 µs bangos formos modeliavimas
Baterijų sistemos	Trisdalyčių srovė	Šiluminio nekontrolavimo analizė
Projektų patvirtinimas naudojant standartizuotas trukdžių bangas – IEC 61000-4-5 pramoninėms aplinkoms ir ISO 10605 automobilinei pramonei – užtikrinant, kad įtampos apribojimo lygis išliktų saugiai žemiau komponentų pažeidimo ribų.

Vienos krypties ir dvikryptės TVS diodus: skirtumai ir naudojimo atvejai

Veikimo principai, pagrįsti poliškumu ir grandinės reikalavimais

TVS diodusiai yra dviejų pagrindinių rūšių: vienkryptius ir dvikryptius. Vienkryptiai diodusiai geriausiai veikia nuolatinės srovės (DC) grandinėse, kurios pasitaiko kasdien, pavyzdžiui, 5 voltų USB lizdai įrenginiuose arba 12 voltų sistemos automobiliais, kur įtampos šuoliai vyksta tik viena kryptimi. Šie diodusiai paprastai nieko nedaro, kol neįvyksta srovės impulsas, tada jie pradeda veikti atvirkštinės įtampos režimu, vis dar leisdami normaliai tekėti nuolatinei srovei per juos. Tuo tarpu dvikryptiai TVS diodusiai sudaryti iš dviejų lavinų diodusių, sujungtų veidu vienas prieš kitą. Jie ypač naudingi apsaugant sudėtingas kintamosios srovės (AC) grandines ir signalus, kurie gali keliauti abiem kryptimis – pavyzdžiui, CAN magistralės sistemas arba RS-485 ryšių linijas. Kai reikia susidoroti tiek su teigiamais, tiek su neigiamais įtampos šuoliais, šie dvikryptiai modeliai viską valo kur kas šiauščiau. Pagal prieš metus paskelbtą tyrimą „Circuit Protection Journal“, naudojant dvikryptę apsaugą vietoj atskirų vienkrypčių komponentų, trijų fazės pramoninėse įrenginių konfigūracijose reikalingų dalių skaičius gali sumažėti apie 40 procentų.

USB, HDMI ir CAN magistralės ryšių sąsajų taikymas

• Vienkryptis : Rekomenduojamas USB 3.2 ir HDMI 2.1 prievadams, kai maža talpa (net 0,5 pF) užtikrina ESD apsaugą iki 30 kV be signalo kokybės pakenkimo.
• Dviejų krypčių : Būtinas automobiliai naudojamai CAN magistralei dėl ±45 V apkrovos šoko atlaikymo ir atitikimo IEC 61000-4-5 standartui.
• Svarbu RS-485 tinklams, kai dvikryptės diodai išlaiko signalo vientisumą esant duomenų perdavimo spartai virš 100 Mbps.

Atvejis: Dvikryptės TVS diodų naudojimas automobilių CAN sistemose

Vienas didelis Europos automobilių gamintojas pastebėjo, kad prekių ženklo garantinio aptarnavimo atvejai sumažėjo beveik dviejų trečdalių, kai jie pradėjo naudoti dvikrypčius TVS diodus savo CAN magistralės sistemose. Diodai lengvai susidoroja su tais erzinančiais įtampos šokiais, kurie gali pasiekti nuo plius iki 60 voltų nuo alternatoriaus apkrovos išmetimo. Tuo pačiu metu jie palaiko nutekėjimo srovę žemiau 1 nanoampero net esant standartinėms 2,5 voltų diferencialinėms lygmenims. Tai reiškia, kad automobiliai gali patikimai komunikuoti per visų rūšių sunkias sąlygas, kurios yra šiandienos keliuose.

Tendencija: augantis panaudojimas aukštos spartos ir pramonės ryšiuose

Dvikryptis globalaus TVS diodų rinkos augimas prognozuojamas 11,8% CAGR iki 2030 m., kurį skatina:

1. 5G bazinių stočių reikalavimas 20 Gbps duomenų apsaugai su labai maža talpa (<0,3 pF)
2. Pramonės IoT jutiklių poreikis AEC-Q101 klasės 1 kokybės standartui (-40 °C iki +125 °C)
3. Atsinaujinančios energijos keitiklių reikalavimas ±2 kV impulsinės apsaugos pagal IEC 61643-31 standartus

TVS diodų panaudojimas moderniose elektroninėse sistemose

ESD apsauga vartojimo elektronikoje ir mobiliuosiuose įrenginiuose

TVS diodusai tarnauja kaip pagrindinė apsauga nuo elektrostatinio išsikrausčiojimo (ESD) pažeidimų, kurie gali paveikti išmaniuosius telefonus, nešiojamuosius kompiuterius ir nešiojamąją techniką. Šie komponentai turi labai mažą talpą – mažesnę nei 0,5 pF, todėl jie netrukdo signalams, perduodami per greitaeigius sąsajos tipus, kuriuos naudojame šiandien, tokius kaip USB Type C arba HDMI jungtys. Be to, jie gali išlaikyti elektrostatinio išsikrausčiojimo įvykius, siekiančius ±30 kilovoltų. Pagal prieš metus paskelbtą ESDA tyrimą, gamintojai, pereidavę prie TVS diodų, pastebėjo milžinišką ESD susijusių problemų sumažėjimą – apie 62 procentus mažiau nei anksčiau naudojant kitas apsaugos technikas. Naujausios kartos diodai dabar siūlo dar geresnes našumo savybes, ypač naujesnėms jungiamosioms sąsajoms, tokioms kaip Thunderbolt ir DisplayPort. Jie leidžia kurti kompaktiškas konstrukcijas, išlaikant puikios apsaugos lygį, todėl tinka duomenų perdavimui esant greičiui, artimam 40 gigabitų per sekundę, be jokio pastebimo signalo kokybės praradimo.

Apsauga nuo įtampos šuolių jautriems integriniams grandynams ir mikrovaldikliams

TVS diodus tarnauja kaip apsauga įvairiems komponentams, tokiems kaip analoginiai jutikliai, maitinimo valdymo mikroschemos ir mikroprocesoriai. Jie veikia perjungdami staigius įtampos šuolius, atsirandančius dėl relės, veikiančių variklių arba jungiamų maitinimo šaltinių. Renkantis tokius diodus, daugelis inžinierių ieško tokių, kurių nutekėjimo srovė būtų mažesnė nei 1 mikroampas, o įtampos ribojimo lygis būtų maždaug 20% žemesnis nei maksimalus IC galimos išlaikyti įtampos lygis. Ypač medicininiams IoT taikymams TVS masyvai tampa būtini. Šie masyvai apsaugo nuo greitų įtampos padidėjimų (iki 100 voltų mikrosekundėje), kurie kitaip galėtų sugadinti jautrius ADC grandinių elementus. Tokia apsauga yra kritiškai svarbi, nes šie tranzientai dažnai atsiranda dėl RF trukdžių arba dirbant su indukcinėmis apkrovomis, kurios įsijungia ir išjungia. Be tinkamos apsaugos, matavimai gali būti netikslūs ir visos sistemos gali netikėtai sugesti.

Atvejo analizė: Įtampos perkrovių apsauga automobilių ir pramonės elektronikoje

2022 metais atlikti lauko tyrimai automobilių CAN magistralės sistemose parodė, kad naudojant dvikryptes TVS diodus, komunikacijos klaidos dėl perkrovių sumažėjo apie 83 % esant ISO 7637-2 bandomosioms sąlygoms. Išbandžius šiuos diodus, jie sėkmingai susidorojo su sudėtingomis 10/1000 mikrosekundžių trukmės srovėmis, pasiekiančiomis net 200 amperų standartinėse 24 voltų sistemose, tuo tarpu vidinė temperatūra išsilaikė žemiau kritinės 125 laipsnių Celsijaus ribos. Pramonės srities taikymuose, sujungtuvai, sukurti naudojant integruotus TVS diodus, suteikia apsaugą nuo milžiniškų 6 kilovoltų įtampos šuolių, atsirandančių dėl žaibo smūgių, kurie gali sugadinti jautrius PLC įvesties/išvesties modulius. Šie sujungtuvai iš karto atitinka griežtas IEC 61000-4-5 standarto reikalavimus, todėl nereikia papildomų filtrų ar komponentų, kad būtų pasiektas atitiktis.

Projektavimo strategijos efektyviai integruojant TVS diodus

Optimalus išdėstymas ir išplanavimas siekiant maksimaliai nukreipti įtampos šuolį

Veiksmingai apsaugoti, TVS diodus įdėkite kuo arčiau laikinųjų signalų įėjimo taškų – tokių kaip jungtys, maitinimo įėjimai ar I/O prievadai – kad būtų sumažinta parazitinė indukcija. Pavyzdžiui, diodų išdėstymas per 1 cm nuo USB prievado sumažina įtampos šuolio sklaidos riziką 60 % lyginant su tolesniu išdėstymu. Rekomenduojami veiksmai yra šie:

• Naudoti trumpus, platokius PCB takelius, kad sumažėtų impedansas
• Venkite perjungimų tarp diodo ir apsaugoto komponento
• Užtikrinkite žemo impedanso grįžtamąjį kelio laidą

Nustatykite užspaudimo įtampos ribas 10–20 % virš sistemos maksimalios darbo įtampos, kad būtų išvengta klaidingų paleidimų, tačiau užtikrintas greitas atsakas (pvz., 5 V sistemoms naudokite 5,5–6 V TVS diodus).

Užspaudimo našumo ir komponentų apkrovos balansas

Pasirinkite TVS diodus pagal konkrečios programos apkrovos lygmenis:

Parametras	Jautrūs elektroniniai komponentai	Pramonės sistemos
Slegio sulūžimo	5–15 V	15–30 V
Aukščiausias impulsinis srautas	50 A	100–300 A
Jutiklumo talpa	<0,5 pF	<5 pF

Automobilyje naudojant CAN magistralės aplikacijas, dvikryptės TVS diodai su 24 V pramušimo įtampa ir 200 A srovės impulsu pasiekia 99,8 % patikimumą slopinant apkrovos impulsus, tuo tarpu normalios veiklos metu nutekėjimas yra mažesnis nei 3 mA.

Strategija: užtikrinti signalo vientisumą aukšto dažnio duomenų linijose

Aukšto dažnio sąsajoms, tokioms kaip USB 3.2 (10 Gbps), HDMI 2.1 (48 Gbps) ir PCIe 5.0, naudokite TVS diodus su mažesne nei 0,3 pF talpa, kad būtų išvengta signalo iškraipymų. Įgyvendinkite impedanso suderinimo maršrutizavimo technikas:

• Palaikykite ±5 % vienodumą laidų ilgyje
• Įtraukite vientisą įtampos žemės plokštę po TVS komponentais
• Laikykitės ±5 % nuokrypio nuo charakteristinės impedanso vertės (pvz., 85 Ω USB4)

Optimizuotas TVS integravimas sumažino signalo atspindžius 40 % 25 Gbps Ethernet ryšiuose, tuo pačiu užtikrindamas visišką 8 kV ESD apsaugą pagal IEC 61000-4-2, įrodant, kad patikima apsauga ir didelis našumas gali egzistuoti kartu.

Dažnai užduodami klausimai

Kam naudojami TVS diodus?

TVS diodus naudojami elektroninių komponentų apsaugai nuo įtampos impulsų, elektrostatinio krūvio kaupimosi ir elektros srogių, užtikrinant sistemų saugų veikimą be netikėtų gedimų.

Kodėl TVS diodai turi greitą reakcijos laiką?

Greitas reakcijos laikas leidžia TVS diodams greitai pereiti iš aukštos varžos į mažą varžą, ribojant įtampos šuolius ir užtikrinant veiksmingą apsaugą.

Koks skirtumas tarp vienkryptių ir dvikrypčių TVS diodų?

Vienkryptiai TVS diodus apsaugo nuo įtampos šuolių viena kryptimi, dažniausiai nuolatinės srovės grandinėse. Dvikryptiai TVS diodus valdo šuolius iš abiejų krypčių, tai naudinga kintamosios srovės grandinėse.

Kaip TVS diodus prisideda prie signalo vientisumo?

Žemosios talpos TVS diodus galima naudoti USB ir HDMI sąsajų apsaugai be signalo kokybės pabloginimo, kad būtų užtikrinta didelio greičio duomenų perdavimas.