Ako fungujú TVS diódy: Ultra-rýchle závesné napätie prostredníctvom lavínneho prielomu

Fyzika lavínneho prielomu umožňujúca nanosekundovú reakciu na prechodné javy

TVS diódy chránia elektronické obvody pred poškodením za zlomok sekundy vďaka svojej chytrej využívanej ovládanej lavínovej priepustnosti v kremíku, ktorý je polarizovaný v spätnom smere. Keď dojde k náhlemu nárastu napätia nad hodnotu, ktorú dióda dokáže zniesť (tzv. VBR), vyskytuje sa na atómovej úrovni zaujímavý jav. Úderová ionizácia spustí reťazovú reakciu, pri ktorej sa elektróny a dierky rýchlo množia a vytvárajú vodivú cestu, ktorá efektívne odvádza prebytočnú energiu okamžitým skratom. Hovoríme tu o dobe odezvy pod jednu nanosekundu, čo je dôvod, prečo tieto komponenty tak dobre fungujú proti neprijemným elektrostatickým výbojom, ktoré vznikajú príliš rýchlo na to, aby ich iné riešenia stihli zvládnuť. Ich presnosť závisí v značnej miere od toho, ako výrobca počas výroby dopuje polovodičový materiál. Toto starostlivé ladenie umožňuje inžinierom dosiahnuť hodnoty VBR v pomerne úzkom rozsahu, zvyčajne okolo ±5 % až ±10 %. Čo robí TVS diódy v porovnaní s alternatívami, ako sú MOV alebo plynové výbojové trubice, tak výnimočnými? Nepotrebujú na svoju činnosť hromadenie tepla ani pohyblivé časti. Namiesto toho využívajú kvantové javy prebiehajúce vo vnútri pevných látok, čo im zaisťuje veľmi stabilný výkon aj pri kolísaní teplôt alebo po rokoch prevádzky.

Skutočný časový priebeh upínania počas udalostí ESD a prepočiakovania

Keď sú aktivované, varistorové diódy (TVS) obmedzujú náhle napäťové špičky na tzv. napätie uzáveru (VC), ktoré zvyčajne predstavuje približne o 20 až 30 percent vyššiu hodnotu ako napätie prebitia (VBR). Ako príklad možno uviesť udalosti elektrostatického výboja (ESD) podľa normy IEC 61000-4-2 – tieto rýchlo stúpajúce napätia majú dobu nárastu 5 nanosekúnd. Dióda začne uzatvárať takmer okamžite, vlastne už v prvej nanosekunde, čím zabráni nebezpečným vrcholovým napätiam, aby sa dostali na citlivé integrované obvody v nasledujúcej časti obvodu. Pri dlhšie trvajúcich prepätiach, ako sú vlnové tvary s dĺžkou 8/20 mikrosekúnd špecifikované v normách IEC 61000-4-5, tieto diódy bezpečne odvádzajú obrovské prúdové preťaženia merané v tisícoch ampéroch (IPP) do zeme a zároveň udržiavajú napätie VC na úrovniach, ktoré nepoškodia pripojené komponenty. Existujú tiež dva hlavné typy: obojsmerné modely sa výborne hodnia pre striedavé pripojenia, kde polarita nie je dôležitá, zatiaľ čo jednosmerné verzie poskytujú lepší výkon v jednosmerných systémoch, pretože pri uzatváraní majú nižšie priame napätie. Čo však robí TVS diódy naozaj užitočnými, je ich schopnosť automaticky sa resetovať. Po prejdení akéhokoľvek napäťového špičkového impulzu sa samostatne vrátia do svojho normálneho stavu s vysokým odporom – nie je potrebné žiadne manuálne resetovanie ani riešenie problémov s uzamknutím (latch-up), ktoré môžu postihovať iné ochranné zariadenia.

Kľúčové parametre diód TVS, ktoré musí každý inžinier pochopiť

VRWM, VBR, VC a IPP — preklad špecifikácií z technických údajov na robustné ochranné rozpätia

Štyri parametre určujú efektívny výber diód TVS a spoľahlivosť na úrovni systému:

• V _RWM (Napätie v nepriechodnom režime v obrátenej polarite) musí presahovať maximálne prevádzkové napätie obvodu – ideálne o 10–15 % – aby sa predišlo netesnosti alebo nesprávnemu spusteniu počas normálnej prevádzky.
• V _BR (napätie prerazu) určuje začiatok lavínnej vodivosti; pre optimálne bezpečnostné rozpätie by malo byť 1,2–1,5-násobkom V _RWM .
• V _C (Závesné napätie) je maximálne napätie, ktoré zažívajú komponenty v nižších stupňoch počas špecifikovanej I _PP ; musí zostať bezpečne pod minimálnou hranicou poškodenia chránených integrovaných obvodov.
• I _PP (Maximálny impulzný prúd) kvantifikuje schopnosť zvládať nárazový prúd pri štandardizovaných vlnových tvaroch (napr. 8/20 μs); vyššie hodnoty naznačujú väčšiu schopnosť absorbovať energiu.

Inžinieri by mali uplatniť zníženie hodnoty I o 20 % _PP pre každé zvýšenie teploty o 50 °C nad okolitú teplotu 25 °C a overiť hodnotu V _BR tolerancia vzhľadom na teplotu na zabezpečenie konzistentných ochranných rozsahov.

Zohľadnenie kapacity pre rozhrania s vysokou rýchlosťou (USB, HDMI, Ethernet)

Kapacita uzla (C _J ) priamo ovplyvňuje integritu signálu na dátových linkách s vysokou rýchlosťou. Už malé množstvo pridaného kapacitného zaťaženia potláča obsah vysokofrekvenčných zložiek a skresľuje rýchlosť nárastu hrán – čo môže spôsobiť chyby bitov alebo zlyhanie spojenia. Požadované hodnoty sú prísne:

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

Dvojsmerné TVS diódy majú prirodzene vyššiu kapacitu v porovnaní s ich jednosmernými protičasťami, pretože využívajú tento dvojdiódový návrh. Ak sa snažíme znížiť tieto otravné parazitné účinky, je rozumné umiestniť TVS komponenty s nízkou kapacitou do vzdialenosti najviac približne pol palca od konektorov alebo pádov integrovaných obvodov. Dôležité je tiež, aby boli spojovacie dráhy široké a rovné – pre väčšinu aplikácií sa osvedčila šírka najmenej 20 milov. Správne pripojenie uzemňovacej plošky tiež zohráva kľúčovú úlohu. Pripojte ju priamo k pevnému a spoľahlivému referenčnému priestoru pomocou niekoľkých prechodov (vias), nie len jedného. Toto pomáha znížiť induktívnu impedanciu, ktorá – ak sa nekontroluje – môže problém prebytku napätia ešte zhoršiť.

Zhoda a výkon TVS diód v štandardizovaných scénarioch hrozby

Splnenie požiadaviek noriem IEC 61000-4-2 (ESD), -4-4 (EFT) a -4-5 (prepätie)

TVS diódy sú navrhnuté tak, aby zvládali tieto náročné požiadavky na odolnosť a zvyčajne prekračujú to, čo je potrebné. Pri štandardoch IEC 61000-4-2 tieto komponenty dokážu veľmi rýchlo zvládnuť intenzívne ESD impulzy pri kontakte s napätím 30 kV, čím ich zastavia skôr, ako by poškodili citlivé mikrokontroléry alebo rozhraniové integrované obvody – buď okamžite, alebo postupne v priebehu času. Výborne fungujú aj pri opakovaných EFT rázových impulzoch (podľa štandardu IEC 61000-4-4 pri frekvenciách približne 5 kHz až 100 kHz). Krátky čas obnovy v kombinácii s nízkym dynamickým odporom umožňuje týmto diódam odviesť viacampérové prechodné špičky z dátových liniek bez narušenia komunikácie. Počas testov vysokovýkonných prepätí podľa špecifikácií IEC 61000-4-5 dokážu správne certifikované TVS diódy odolať úderom až 6 kV/3 kA medzi vodičmi a uzemnením a pritom si zachovať stabilný výkon bez výrazných porúch. Nezávislé testovanie potvrdzuje ich spoľahlivú funkčnosť v extrémne širokom teplotnom rozsahu (od −40 °C až po +125 °C), čím spĺňajú požiadavky na odolnosť triedy 4. Projektantom sa veľmi páči, že tieto súčiastky koncentrujú ochranu do jedného spoľahlivého komponentu namiesto použitia viacerých vrstiev filtrov a iných závesných zariadení. Toto zjednodušenie zníži počet súčiastok potrebných pre výpis materiálu, uľahčí certifikáciu a vo všeobecnosti vedie k vyššej spoľahlivosti výrobkov v reálnych prevádzkových podmienkach na mieste ich nasadenia.

Praktický výber ochranných diód TVS a najlepšie postupy pre usporiadanie plošných spojov

Ochranné diódy TVS s dvojsmernou a jednosmernou polaritou: prispôsobenie polarity, uzemnenia a pokrytia porúch

Pri rozhodovaní medzi obojsmernými a jednosmernými TVS diódami musia inžinieri zohľadniť, ako sú signály v systéme smerované, a aké druhy porúch sa môžu vyskytnúť. Obojsmerné varianty fungujú tak, akoby boli dve lavínové diódy zapojené v opačnom smere za sebou, čo ich robí nevyhnutnými pre striedavé (AC) spriahnuté alebo plávajúce spojenia, aké sa nachádzajú napríklad v rozhraniach RS-485, HDMI a Ethernet, kde napäťové špičky môžu vzniknúť z oboch smerov. Jednosmerné verzie sa v skutočnosti lepšie osvedčujú pri obmedzovaní napätia v jednosmerných (DC) obvodoch, pretože efektívnejšie vodičia elektrický prúd pri kladných prechodových javoch a zároveň blokujú prúd pri záporných špičkách. Chyba v tejto voľbe má však veľký význam. Umiestnenie jednosmernej diódy na obojsmernú komunikačnú linku ponecháva medzery v ochrane proti záporným prechodovým javom, ktoré by mohli poškodiť citlivé komponenty v ďalšej časti obvodu. Rovnako dôležitý je aj uzemňovací pripojenie. Najlepší postup zahŕňa vedenie krátkych a širokých medienej dráhy od katódy TVS diódy (alebo od spoločného bodu u obojsmerných modelov) priamo k pevnému uzemňovaciemu priestoru so špeciálnymi tepelnými prechodmi (thermal vias) na zabezpečenie stability. Zlý uzemňovací obvod spôsobuje známe problémy s „skokom uzemnenia“ (ground bounce), ktoré znižujú účinnosť ochrany pred prechodovými javmi, niekedy až o takmer polovicu – podľa rôznych priemyselných testov správania sa prechodových javov.

Optimálne umiestnenie: minimalizácia indukčnosti spoja a maximalizácia účinnosti ochrany

Spôsob, akým je doska plošných spojov (PCB) rozmiestnená, má v skutočnosti väčší vplyv na výkon ochranných diód TVS ako len prehľad špecifikácií súčiastok. Dióda by mala byť umiestnená najviac približne pol centimetra od konektora alebo ochranenej vývodu integrovaného obvodu (IC). Každý ďalší centimeter pridáva približne 10 nanohenry sériovej indukčnosti, čo môže spomaliť činnosť obmedzenia napätia a umožniť nebezpečné napäťové špičky počas udalostí elektrostatického výboja (ESD). Pri vedení spojov sa zamerajte na rovné čiary a udržujte ich čo najširšie (minimálne 20 mil), pričom sa vyhýbajte pravouhlým ohybom, ktoré spôsobujú problémy s impedanciou. Pre rozhrania s vysokou rýchlosťou umiestnite ochrannú diódu TVS čo najbližšie k samotnému konektorovi. Uzemňovaciu plošku pripojte priamo k referenčnej rovine pomocou troch alebo viacerých rovnomerne rozmiestnených prechodov (vias). Tým vznikne dobrá nízkoindukčná návratná cesta, ktorá odvádza viac ako 90 percent prúdu prepäťového výboja od citlivej elektroniky. Skutočné testy v súlade so štandardom IEC 61000-4-2 ukázali, že tieto techniky rozmiestnenia skracujú dobu vystavenia prechodovým javom približne na polovicu v porovnaní so staršími metódami, ktoré používajú uzemnenie v reťazci (daisy chained grounds) alebo tie nepríjemné dlhé odbočky (stub connections).